JP5590653B2 - 半導体発光装置及び半導体発光装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体発光装置及び半導体発光装置の製造方法に関し、半導体基板上に複数の半導体層を積層する技術が用いられた半導体発光装置及びその製造方法に関する。

従来から、成長用基板として用いられるＧａＡｓ基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によって複数の半導体層を積層し、半導体発光装置を形成する方法が知られている。例えば、ＧａＡｓ基板上には、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層及びｐ型電流拡散層が順次積層される。更に、ＧａＡｓ基板のｎ型クラッド層が形成された面とは逆側（すなわち、ＧａＡｓ基板の裏面側）及び電流拡散層上のそれぞれには、表面電極及び裏面電極が形成される。

上述した半導体発光装置は、主に自動車のテールランプ、各種表示機器及び携帯電話等のモバイル機器のバックライト等に従来から用いられている。また、近年において、自動車のヘッドライト、液晶ディスプレイのバックライト及び一般照明等への需要が拡大し始めている。このような半導体発光装置の市場拡大に伴い、半導体発光装置の発光効率及び信頼性の向上が要求されている。

より具体的な要求として、信頼性の向上については、半導体発光装置に逆バイアスを印加したときの降伏電圧Ｖｒの経時変化の抑制が要求されている。かかる降伏電圧Ｖｒは、ｐ型ドーピングで用いた不純物（例えば、Ｚｎ又はＭｇ等）が通電により拡散することが原因とされている。かかる観点から、活性層と介在層との間に不純物をドーピングしない、又は不純物濃度が低いドーパント抑制層を挿入し、降伏電圧Ｖｒの経時変化の抑制を行う技術が知られている。例えば、特許文献１には、ｐ型クラッド層にアンドープのドーパント抑制層を挿入する技術が開示されている。

特開２００７−４２７５１号公報

しかしながら、近年においては高輝度であり、且つ、高い信頼性を備える半導体発光装置の要求がより強まってきている。具体的には、より高い信頼性を得るために、半導体発光装置の降伏電圧Ｖｒをより高くするとともに、半導体発光装置ごとの降伏電圧Ｖｒのばらつき（ロット間ばらつき）を低減することが要求されている。

本発明の目的は、以上の如き事情に鑑みてなされたものであり、高い発光効率及び高い降伏電圧Ｖｒを備えるとともに、降伏電圧Ｖｒのロット間ばらつきが低減された半導体発光装置及びその製造方法を提供することである。

上述した課題を解決するために、本発明の半導体発光装置は、半導体基板の上に形成され、ｎ型を有する第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層の上に形成され、平均ドーパント濃度が前記第１のクラッド層よりも低いｎ型を有する第２のクラッド層と、前記第２のクラッド層の上に形成され、平均ドーパント濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3〜４×１０¹⁶ｃｍ^-3であって（Ａｌ_yＧａ_1-y）_xＩｎ_1-xＰ（0＜ｘ≦1、0≦ｙ≦1）からなるｐ型の活性層と、前記活性層の上に形成され、ｐ型を有する第３のクラッド層と、前記第３のクラッド層の上に形成され、Ｇａ_1-xＩｎ_xＰ（0≦ｘ＜1）からなるｐ型半導体層と、を有し、前記第２のクラッド層の層厚をｄ（ｎｍ）とし、前記第２のクラッド層の平均ドーパント濃度をＮ_d1（ｃｍ^-3）とした場合に、ｄ≧１．２×Ｎ_d1×１０^-15＋１５０の関係式を満たすことを特徴とする。

また、上述した課題を解決するために、本発明の半導体発光装置の製造方法は、成長用基板の上にｎ型を有する第１のクラッド層、平均ドーパント濃度が前記第１のクラッド層よりも低いｎ型を有する第２のクラッド層、アンドープであって（Ａｌ_yＧａ_1-y）_xＩｎ_1-xＰ（0＜ｘ≦1、0≦ｙ≦1）からなる活性層、及びｐ型を有する第３のクラッド層を順次成長して積層構造体を形成する工程と、前記積層構造体の成長温度より高い成長温度でｐ型半導体層を成長し、前記第２のクラッド層から前記活性層にｐ型のドーパントを拡散させて前記活性層の平均ドーパント濃度を２×１０¹⁶ｃｍ^-3〜４×１０¹⁶ｃｍ^-3に制御する工程と、を有し、前記第２のクラッド層の層厚をｄ（ｎｍ）とし、前記第２のクラッド層の平均ドーパント濃度をＮ_d1（ｃｍ^-3）とした場合に、ｄ≧１．２×Ｎ_d1×１０^-15＋１５０の関係式を満たすように前記第２のクラッド層を形成することを特徴とする。

本発明の半導体発光装置においては、第１導電型のクラッド層が、第１のクラッド層と、平均ドーパント濃度が第１のクラッド層よりも低い第２のクラッド層と、から構成されている。更に、第２のクラッド層の層厚をｄ（ｎｍ）とし、第２のクラッド層の平均ドーパント濃度をＮ_ｄ１（ｃｍ^−３）とした場合に、ｄ≧１．２×Ｎ_ｄ１×１０^−１５＋１５０の関係式を満たしている。これにより、第２のクラッド層の層厚に依存することなく一定の降伏電圧Ｖｒを得ることができる。

また、本発明の半導体発光装置は、活性層の平均ドーパント濃度が２×１０^１６ｃｍ^−３〜４×１０^１６ｃｍ^−３であるため、高い発光効率を有している。

本願発明の半導体発光装置は、以上の２つの構造を有しているため、高い発光効率及び高い降伏電圧Ｖｒを備えるとともに、降伏電圧Ｖｒのロット間ばらつきが少ない。また、本願発明の半導体発光装置の製造方法は、以上の２つの構造を有するように製造工程が行われるため、高い発光効率及び高い降伏電圧Ｖｒを備えるとともに、降伏電圧Ｖｒのロット間ばらつきが低減された半導体発光装置を製造することができる。

本発明の実施例に係る半導体発光装置の断面図である。 本発明の実施例に係る半導体発光装置の各製造工程における断面図である。 本発明の実施例に係る半導体発光装置におけるＺｎ濃度の分布を示す図である。 活性層の平均Ｚｎ濃度と発光効率との関係を示す図である。 低濃度ｎ型クラッド層の層厚と降伏電圧との関係を示す図である。 低濃度ｎ型クラッド層の平均Ｓｉ濃度と低濃度ｎ型クラッド層の層厚との関係を示す図である。 低濃度ｎ型クラッド層の平均Ｓｉ濃度と降伏電圧との関係を示す図である。 本発明の実施例に係る半導体発光装置における活性層の平均Ｚｎ濃度と降伏電圧との関係を示す図である。 比較サンプルおける活性層の平均Ｚｎ濃度と降伏電圧との関係を示す図である。

以下、本発明の実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

先ず、図１乃至図３を参照しつつ、本発明の第１の実施例に係る半導体発光装置の構造及びその製造方法について説明する。

図１は、本発明の実施例に係る半導体発光装置１０の断面図である。図１に示されているように、半導体発光装置１０は、成長用基板であるｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面（主面）上に、ｎ型クラッド層１２、活性層１３、ｐ型クラッド層１４及びｐ型電流拡散層１５が順次積層されている。更に、半導体発光装置１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１のｎ型クラッド層１２が形成された表面とは逆側の面（すなわち、裏面）の全面にｎ側電極１６、ｐ型電流拡散層１５上の中央部分にｐ側電極１７を有している。

また、ｎ型クラッド層１２は、高濃度ｎ型クラッド層１２ａ及び高濃度ｎ型クラッド層１２ａより不純物濃度が低い低濃度ｎ型クラッド層１２ｂからなる２層構造を有している。ｎ型クラッド層１２は、活性層１３に低濃度ｎ型クラッド層１２ｂが接するように配置される。高濃度ｎ型クラッド層１２ａの層厚は２．５マイクロメートル（μｍ）であり、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの層厚は０．５μｍである。

また、ｐ型電流拡散層１５は、層厚及び不純物濃度が異なる４つの層から構成されている。具体的には、ｐ型クラッド層上に第１拡散部１５ａ、第２拡散部１５ｂ、第３拡散部１５ｃ及び接合部１５ｄが順次積層されている。第１拡散部１５ａの層厚は約０．１μｍ、第２拡散部１５ｂの層厚は０．９μｍ、第３拡散部１５ｃの層厚は８．５μｍ、接合部１５ｄの層厚は０．５μｍである。

以下に、かかる構成を有する半導体発光装置１０の製造方法を、図２を参照しつつ詳細に説明する。

先ず、成長用基板であるｎ型ＧａＡｓ基板１１を準備する（図２（ａ））。本実施例では、ｎ型ＧａＡｓ基板１１は、シリコン（Ｓｉ）がドープされ、その主面は面方位（１００）から１５度（１５°）傾いている。すなわち、ｎ型ＧａＡｓ基板１１は１５°オフの成長用基板である。

次に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）により、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に高濃度ｎ型クラッド層１２ａ、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂ、アンドープ活性層２１及びｐ型クラッド層１４を順次積層する。これにより、積層構造体２２が形成される（図２（ｂ））。成長条件は、例えば、成長温度が約摂氏７００度（７００℃）、成長圧力が約１０キロパスカル（ｋＰａ）である。有機金属（ＭＯ）ガス用の原料（ＩＩＩ族原料）としては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）が用いられる。Ｖ族ガスとしては、例えば、アルシン（ＡｓＨ_３）及びフォスフィン（ＰＨ_３）が用いられる。なお、Ｖ／ＩＩＩ比は３０〜２００である。不純物添加用（ドーパント）の原料としては、例えば、ｎ型ドーパントとしてシラン（ＳｉＨ_４）が用いられ、ｐ型ドーパントとしてジメチルジンク（ＤＭＺｎ）が用いられる。また、キャリアガスとしては水素が用いられる。具体的な製造工程は、以下の通りである。

先ず、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に、組成が（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_ｘＩｎ_１−ｘＰ（0＜ｘ≦1、0≦ｙ≦1）で、Ｓｉ濃度が約１×１０^１８ｃｍ^−３である高濃度ｎ型クラッド層１２ａを形成する。高濃度ｎ型クラッド層１２ａは、約２．５μｍの層厚を有している。また、本実施例において、高濃度ｎ型クラッド層１２ａは、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐである。

次に、高濃度ｎ型クラッド層１２ａ上に、組成が（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_ｘＩｎ_１−ｘＰ（0＜ｘ≦1、0≦ｙ≦1）で、Ｓｉ濃度が約２×１０^１７ｃｍ^−３である低濃度ｎ型クラッド層１２ｂを形成する。低濃度ｎ型クラッド層１２ｂは、約０．５μｍの層厚を有している。また、本実施例において、低濃度ｎ型クラッド層１ｂは、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐである。

これにより、高濃度ｎ型クラッド層１２ａ及び低濃度ｎ型クラッド層１２ｂからなるｎ型クラッド層１２の形成が完了する。なお、高濃度ｎ型クラッド層１２ａは、ｎ型ＧａＡｓ基板１１と良好なコンタクトを得るためのコンタクト層としても機能する。

次に、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの上に、組成が（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_ｘＩｎ_１−ｘＰ（0＜ｘ≦1、0≦ｙ≦1）で、不純物がドープされていないアンドープ活性層２１を形成する。アンドープ活性層２１は、約０．４μｍの層厚を有している。ここで、ｘ及びｙの値は、アンドープ活性層２１のバンドギャップがｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層１４のバンドギャップよりも小さくなるように設定される。本実施例では、アンドープ活性層２１は、井戸層が（Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐであり、障壁層が（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐである量子井戸構造（各層厚の１周期を１０ｎｍとして２０周期）を有している。

なお、アンドープ活性層２１は、単一構造（バルク構造）であってもよい。また、アンドープ活性層２１は、本実施例の組成に限定されるものではなく、例えば、アルミニウムを含まないＩｎＧａＰ系からなる層（すなわち、ｙ＝０）であってもよい。本実施例では、ＩｎＧａＰ系の活性層としては、Ｉｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐがある。

次に、アンドープ活性層２１の上に、組成が（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_ｘＩｎ_１−ｘＰ（0＜ｘ≦1、0≦ｙ≦1）で、Ｚｎがドープされたｐ型クラッド層１４を形成する。ｐ型クラッド層１４は、約１μｍの層厚を有している。このとき、ｐ型クラッド層１４の平均Ｚｎ濃度が約５×１０^１７ｃｍ^−３となるように、ＤＭＺｎの供給量を調整する。本実施例では、ｐ型クラッド層１４は、（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐである。ｐ型クラッド層１４にはキャリア（電子）を閉じ込めることで発光効率を上げる役割があるので、Ａｌ組成を６０％〜８０％、特に７０％前後（６５％〜７５％）に調整することが好ましい。かかる工程を経て、積層構造体２２の形成が完了する。

なお、アンドープ活性層２１は、ＡｌＧａＩｎＰの臨界膜厚を考慮すると、組成が（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_ｘＩｎ_１−ｘＰ（0.4≦ｘ≦0.6、0≦ｙ≦0.7）であることが好ましい。また、成長温度を５００℃〜７００℃に設定した場合に、ＡｌＧａＩｎＰ系の積層構造体２２をｎ型ＧａＡｓ基板１１に整合させることを考慮すると、ｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層１４の組成が（Ａｌ_ｙＧａ_１−ｙ）_ｘＩｎ_１−ｘＰ（0.45≦ｘ≦0.55、0.3≦ｙ≦1）であることが好ましい。

次に、有機金属気相成長法により、積層構造体２２の上に、Ｇａ_１−ｘＩｎ_ｘＰ（0≦ｘ＜1）の材料から構成され、Ｚｎがドープされたｐ型電流拡散層１５を形成する（図２（ｃ））。より具体的には、Ｚｎのドープ量を調整しつつ第１拡散部１５ａ、第２拡散部１５ｂ、第３拡散部１５ｃ及び接合部１５ｄを順次積層してｐ型電流拡散層１５を形成する。ｐ型電流拡散層１５は、約１０μｍの層厚を有している。本実施例では、ｐ型電流拡散層１５は、ＧａＰ（すなわち、ｘ＝０）である。また、Ｉｎ組成を１０％以下のＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＰ（0≦ｘ≦0.1）から構成しても、発光波長に対し透明なｐ型電流拡散層１５を構成することができる。成長条件は、例えば、成長温度が約８００℃、成長圧力が約１０ｋＰａである。ＭＯガス用の原料としては、例えば、ＴＭＧａが用いられる。Ｖ族ガスとしては、例えば、ＰＨ_３が用いられる。Ｖ／ＩＩＩ比は３０〜２００である。不純物添加用の原料としてはＤＭＺｎが用いられる。本実施例においては、ｐ型電流拡散層１５がＺｎ濃度の異なる４層から構成されている、各層（第１拡散部１５ａ、第２拡散部１５ｂ、第３拡散部１５ｃ及び接合部１５ｄ）の形成時にＤＭＺｎの供給量が調整される。また、キャリアガスとしては水素が用いられる。本実施例において、ｐ型電流拡散層１５の成長温度は、積層構造体２２の成長温度より約１００℃高く設定されているが、このような成長温度の差は他の成長条件又は成長用基板のオフ角等によって異なってくる。本実施例のようなＡｌＧａＩｎＰ系の積層構造体及びＧａ_１−ｘＩｎ_ｘＰ（0≦ｘ＜1）からなる電流拡散層の場合においては、積層構造体２２の成長温度よりも３０〜１００℃高い成長温度でｐ型電流拡散層１５を形成することが好ましい。

また、ｐ型電流拡散層１５の形成時において、ｐ型電流拡散層１５からアンドープ活性層２１に向かってＺｎが拡散する。このようなＺｎの拡散により、アンドープ活性層２１にＺｎがドープされ、アンドープ活性層２１がＺｎをｐ型キャリアとして有する活性層１３に変化する。

次に、真空蒸着法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面全体に金・ゲルマニウム・ニッケルの合金（ＡｕＧｅＮｉ）を真空蒸着させ、ｎ側電極１６を形成する。続いて、ｐ型電流拡散層１５の上にレジストを塗布する。塗布したレジストが所望の電極パターンになるように、所望のパターンニングを施す。パターンニングしたレジストの開口部分に、真空蒸着法によって金・亜鉛の合金（ＡｕＺｎ）を蒸着させる。その後に、レジストを除去すること（リフトオフ法）で、所望の形状のｐ側電極１７が形成される（図２（ｄ））。本工程の終了により、半導体発光装置１０が完成する。

次に、半導体発光装置１０におけるＺｎの拡散状態を説明する。図３は、本実施例により製造した半導体発光装置１０のＺｎの濃度分布を示すグラフである。なお、本実施例において、Ｚｎ濃度はｐ型キャリア濃度と等しい。

図３に示されているように、半導体発光装置１０のＺｎ濃度は、ｎ型ＧａＡｓ基板から離れるにつれ徐々に増加していることが判った。活性層１３のＺｎ濃度は１×１０^１６〜１×１０^１７ｃｍ^−３の範囲内であり、平均Ｚｎ濃度は３×１０^１６ｃｍ^−３であった。ｐ型クラッド層１４のＺｎ濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３前後であり、平均Ｚｎ濃度は５×１０^１７ｃｍ^−３であった。また、ｐ型電流拡散層１５においては、第１拡散部１５ａにおける平均Ｚｎ濃度が約１×１０^１８ｃｍ^−３、第２拡散部１５ｂにおける平均Ｚｎ濃度が約１．５×１０^１８ｃｍ^−３、第３拡散部１５ｃにおける平均Ｚｎ濃度が約２×１０^１８ｃｍ^−３、接合部１５ｄにおける平均Ｚｎ濃度が約１×１０^１９ｃｍ^−３であり、ｐ型電流拡散層１５の平均Ｚｎ濃度が約３×１０^１８ｃｍ^−３である。すなわち、ｐ型電流拡散層１５のＺｎ濃度は、ｐ型電流拡散層１５の表面（ｐ側電極１７の形成面）からｐ型電流拡散層１５とｐ型クラッド層１４との界面に近づくにつれて徐々に減少していた。なお、ｎ型クラッド層１２にはＳｉがドープされ、Ｚｎが拡散していない。

ｐ型電流拡散層１５内のＺｎプロファイルを図３のようにすることで、活性層１３の平均Ｚｎ濃度を２×１０^１６ｃｍ^−３〜４×１０^１６ｃｍ^−３に調整することが可能になる。かかる理由を以下に説明する。

一般に、層厚の最も厚い第３拡散部１５ｃのＺｎの拡散が、ｐ型電流拡散層１５からｐ型クラッド層１４へのＺｎの拡散量に最も影響している。しかしながら、第３拡散部１５ｃのＺｎの拡散は、第３拡散部１５ｃよりもＺｎ濃度が低い第２拡散部１５ｂによって抑制されてしまう。かかる第３拡散部１５ｃにおけるＺｎ拡散の抑制により、ｐ型電流拡散層１５からｐ型クラッド層１４へのＺｎの拡散量が抑制され、活性層１３の平均Ｚｎ濃度を２×１０^１６ｃｍ^−３〜４×１０^１６ｃｍ^−３に調整することが可能になると考えられる。従って、図３に示されているように、ｐ型電流拡散層１５におけるＺｎ濃度が、ｐ型電流拡散層１５の表面からｐ型電流拡散層１５とｐ型クラッド層１２との界面に近づくにつれて徐々に減少するように、第１拡散部１５ａ、第２拡散部１５ｂ及び第３拡散部１５ｃの層厚及びＺｎドープ量を調整するこが重要になる。例えば、第１拡散部１５ａにおける平均Ｚｎ濃度は１×１０^１８〜５×１０^１８ｃｍ^−３、第２拡散部１５ｂにおける平均Ｚｎ濃度は１×１０^１６ｃｍ^−３〜５×１０^１８ｃｍ^−３、第３拡散部１５ｃにおける平均Ｚｎ濃度は１×１０^１８ｃｍ^−３〜５×１０^１８ｃｍ^−３の範囲内で調整することができる。なお、接合部１５ｄは、ｐ側電極１７とのオーミック接触を得るために形成される層であるため、Ｚｎの拡散には影響はない。また、第３拡散部１５ｃとｐ側電極１７との間でオーミック接触を得ることができれば、接合部１５ｄは不要である。

次に、図４を参照しつつ、上述した製造方法によって高い発光効率を有する半導体発光装置を製造することができることを説明する。

図４は、活性層の平均Ｚｎ濃度を変化させた場合における、各半導体発光装置の発光効率を示している。図４の横軸は活性層の平均Ｚｎ濃度であり、縦軸は発光効率である。縦軸の発光効率は任意単位であって、平均Ｚｎ濃度が５×１０^１６ｃｍ^−３のサンプルを基準（すなわち、１．０）としている。なお、横軸は対数表示である。

図４から判るように、活性層の平均Ｚｎ濃度が２．０×１０^１６ｃｍ^−３未満の領域においては、平均Ｚｎ濃度が低下すると、発光効率も急峻に減少している。また、平均Ｚｎ濃度が４．０×１０^１６ｃｍ^−３より高い領域おいて、平均Ｚｎ濃度が上昇すると、発光効率が急峻に減少している。更に、平均Ｚｎ濃度が２．０×１０^１６ｃｍ^−３〜４．０×１０^１６ｃｍ^−３の領域で安定した発光効率が得られ、かかる領域内に発光効率のピークがある。このことから、半導体発光装置ごとの発光効率のばらつきを低減し、且つ、高い発光効率を得るには、活性層の平均Ｚｎ濃度を２×１０^１６〜４×１０^１６ｃｍ^−３に調整する必要があることが判った。

本実施例の半導体発光装置においては、上述したようにｐ型電流拡散層１５を４層構造とすることで、活性層１３中の平均Ｚｎ濃度を２×１０^１６ｃｍ^−３〜４×１０^１６ｃｍ^−３に調整している。すなわち、活性層１３中の平均Ｚｎ濃度を高い発光効率を得るための必要な範囲（図４で示された２×１０^１６〜４×１０^１６ｃｍ^−３）に調整しているため、高い発光効率を有する半導体発光装置を製造することが可能になる。

次に、図５乃至図９を参照しつつ、上述した製造方法によって信頼性に優れた半導体発光装置を製造するための条件及びその理由を説明する。

図５は、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの層厚を変更した場合における降伏電圧Ｖｒの値を示している。図５の横軸は低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの層厚（ナノメートル：ｎｍ）であり、縦軸は降伏電圧Ｖｒ（ボルト：Ｖ）である。かかる低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの層厚と降伏電圧Ｖｒとの関係の測定において、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの平均Ｓｉ濃度が１×１０^１６、２×１０^１７及び５×１０^１７ｃｍ^−３の３種類の半導体発光装置（サンプル）を使用した。当該測定条件の詳細としては、各サンプルに対し、逆方向に１０マイクロアンペア（μＡ）の電流を通電して、降伏電圧の測定を行った。

図５に示されているように、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの層厚を大きくすることで、より高い降伏電圧Ｖｒを有する半導体発光装置が得られることが判った。より詳細には、いずれのサンプルにおいても、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの層厚が０ｎｍから所定の値までは降伏電圧Ｖｒが急峻に上昇し、当該所定の値からは降伏電圧Ｖｒは飽和していることが判った。これは、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの層厚の増加に依存して空乏層の幅が大きくなること、及び低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの層厚が一定以上では空乏層の幅が大きくならないことを示している。以上のことから、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂは、層厚に依存することなく一定の降伏電圧Ｖｒを得ることができる臨界層厚を有している。

ここで、当該所定の値である臨界層厚を以下の方法で算出した。先ず、各サンプルのプロットから平均Ｓｉ濃度ごとの近似曲線（実線で示す）を作成した。続いて、各近似曲線における降伏電圧Ｖｒが急峻に増加している領域の接線（破線で示す）と、降伏電圧Ｖｒが飽和している領域の接線（破線で示す）との交点を算出した。平均Ｓｉ濃度が１×１０^１６ｃｍ^−３のときが交点Ａ、平均Ｓｉ濃度が２×１０^１７ｃｍ^−３のときが交点Ｂ、平均Ｓｉ濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３のときが交点Ｃとした。かかる交点Ａ、Ｂ、Ｃにおける層厚が臨界層厚であり、交点Ａは約１６２ｎｍ、交点Ｂは約３９０ｎｍ、交点Ｃは約７５０ｎｍであった。

図６は、図５から算出した交点Ａ、Ｂ、Ｃを、横軸が低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの平均Ｓｉ濃度（ｃｍ^−３）、縦軸がｎ型クラッド層１２ｂの層厚（ｎｍ）であるグラフ上にプロットしたものを示している。図６から判るように、交点Ａ、Ｂ、Ｃは、直線ＰＲ（破線で示す）上に位置している。直線ＰＲを交点Ａ、Ｂ、Ｃに基づいて算出すると、以下の数式（１）となる。

数式（１）は、図５におけて低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの層厚が増加しても降伏電圧Ｖｒが増加しない臨界層厚を定義する式である。ここで、Ｎ_ｄ１は低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの平均Ｓｉ濃度（ｃｍ^−３）であり、ｄは低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの層厚（ｎｍ）である。以上のことから、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの層厚に依存することなく、一定の降伏電圧Ｖｒを得るためには、以下の数式の条件を満たせばよい。

また、図５から判るように、以上の数式（２）を満たせば、高い信頼性を有するための一般的な標準規格（降伏電圧Ｖｒが５０Ｖ以上）も満たされる。

図７は、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの厚さが５００ｎｍの場合の低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの平均Ｓｉ濃度と降伏電圧Ｖｒとの関係を示している。図７の横軸は低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの平均Ｓｉ濃度（ｃｍ^−３）であり、縦軸は降伏電圧Ｖｒ（Ｖ）である。なお、図７の結果を得るための測定条件として、平均Ｓｉ濃度の異なる半導体発光装置（５×１０^１４ｃｍ^−３、１×１０^１６ｃｍ^−３、２×１０^１７ｃｍ^−３、５×１０^１７ｃｍ^−３、１×１０^１８ｃｍ^−３の合計４種類）ごとに対し、逆方向に１０μＡの電流を通電して、降伏電圧の測定を行った。

図７に示されているように、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの平均Ｓｉ濃度が増加するにつれ、降伏電圧Ｖｒは減少することが判った。より詳細には、平均Ｓｉ濃度が約２×１０^１７ｃｍ^−３以下の領域においては、降伏電圧Ｖｒはほとんど変化することなく飽和していることが判った。つまり、上記数式（２）を満たしている平均Ｓｉ濃度が２×１０^１７ｃｍ^−３以下の領域においては、ほぼ飽和した降伏電圧Ｖｒを得ることができ、上記数式（２）を満たさない平均Ｓｉ濃度が５×１０^１７ｃｍ^−３、及び１×１０^１８ｃｍ^−３の場合においては、低い降伏電圧しか得られなかった。

また、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの平均Ｓｉ濃度をより低濃度化すると、半導体発光装置の直列抵抗成分が増加し、動作電圧の増加に繋がる問題がある。かかる観点から、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの平均Ｓｉ濃度をできる限り高くする必要がある。

従って、降伏電圧Ｖｒのばらつき及び動作電圧の増加を抑制を可能にするためには、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの平均Ｓｉ濃度を約１×１０^１６ｃｍ^−３〜５×１０^１７ｃｍ^−３にすることがより望ましい。

図８は、本実施例に係る半導体発光装置（本サンプル）における活性層中の平均Ｚｎ濃度と降伏電圧Ｖｒとの関係を示している。当該本サンプルは、高濃度ｎ型クラッド層１２ａ（平均Ｓｉ濃度：１×１０^１８ｃｍ^−３、層厚：２．５μｍ）及び低濃度ｎ型クラッド層１２ｂ（平均Ｓｉ濃度：２×１０^１７ｃｍ^−３、層厚：０．５μｍ）からなるｎ型クラッド層１２を有している。

一方、図９は、本実施例の半導体発光装置とは構造が異なる半導体発光装置（比較サンプル）における活性層中の平均Ｚｎ濃度と降伏電圧Ｖｒとの関係を示している。比較サンプルの構造は、本サンプルと比較してｎ型クラッド層の構造のみが異なり、他の構造は本サンプルと同一である。より具体的には、比較サンプルは、単一構造（平均Ｓｉ濃度：１×１０^１８ｃｍ^−３、層厚：３μｍ）のｎ型クラッド層を有している。

図８及び図９の横軸は活性層中の平均Ｚｎ濃度（ｃｍ^−３）であり、縦軸は降伏電圧Ｖｒ（ボルト：Ｖ）である。図８及び図９の結果を得るための測定条件として、活性層中の平均Ｚｎ濃度の異なる本サンプル及び比較サンプルごとに対し、逆方向に１０μＡの電流を通電して、降伏電圧の測定を行った。

図８及び図９に示されているように、本サンプルにおいては活性層１３の平均Ｚｎ濃度に関係なく降伏電圧Ｖｒが一定であったが、比較サンプルにおいてはＺｎ濃度に関係なく降伏電圧Ｖｒがばらついていた。

上述したような異なる結果になる理由としては、以下のことが考えられる。一般に、降伏電圧Ｖｒの値に影響を及ぼす空乏層の幅は、活性層中の平均Ｚｎ濃度及びプロファイル形状に敏感であり、活性層中の平均Ｚｎ濃度及びプロファイル形状を正確に制御することは困難と考えられている。このため、比較サンプルは、図９に示された結果のように、活性層中の平均Ｚｎ濃度が高い発光効率を得ることができる範囲内（２×１０^１６〜４×１０^１６ｃｍ^−３）であっても、約４０Ｖのばらつきが発生していると考えられる。

しかしながら、ｎ型クラッド層を平均Ｓｉ濃度の異なる２層で構成するとともに、本サンプルにおいては、数式（２）の関係式を満足しているため、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの層厚に依存することなく、降伏電圧Ｖｒが一定になっている。すなわち、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂを一定の降伏電圧Ｖｒが得られる臨界層厚以上にしているため、空乏層の幅の広がりが最大（これ以上大きくならない幅）になっていると考えられる。このため、活性層中の平均Ｚｎ濃度及びプロファイル形状にばらつきがあったとしても、空乏層の幅の広がりがばらつくことがなくなり、降伏電圧Ｖｒのばらつきがない半導体発光装置を容易に製造できたと考える。また、ＳｉはＺｎに比べて拡散係数が小さく、制御性が良いため、活性層中の平均Ｚｎ濃度及びプロファイルの制御を行うよりも、数式（２）の関係式を満足するようにＳｉ濃度及び層厚を容易に制御することができる。

次に、高濃度ｎ型クラッド層１２ａの望ましい条件を説明する。高濃度ｎ型クラッド層１２ａは、活性層１４から低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの層厚だけ離間していること、及びＡｌＧａＩｎＰ内においてはＳｉはほとんど拡散しないことから、高濃度ｎ型クラッド層１２ａは降伏電圧Ｖｒに影響を与えないと考えられる。従って、高濃度ｎ型クラッド層１２ａの平均Ｓｉ濃度は、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの平均Ｓｉ濃度よりも高ければよいが、電流拡散及び順方向電圧Ｖｆを考慮した場合には、高濃度ｎ型クラッド層１２ａの平均Ｓｉ濃度を１×１０^１８〜５×１０^１８ｃｍ^−３の範囲内に、高濃度ｎ型クラッド層１２ａ及び低濃度クラッド層１２ｂの合計層厚を１μｍ以上にすることが望ましい。平均Ｓｉ濃度が１×１０^１８未満であると、順方向電圧Ｖｆが上昇して半導体発光装置の消費電力が増加するからである。また、平均Ｓｉ濃度が５×１０^１８ｃｍ^−３を超えると、高濃度ｎ型クラッド層１２ａの光透過率が低下するからである。

以上のように、本発明の半導体発光装置においては、ｎ型クラッド層１２が、ｎ型高濃度クラッド層１２ａと、平均Ｓｉ濃度がｎ型高濃度クラッド層１２ａよりも低いｎ型低濃度クラッド層１２ｂと、から構成されている。更に、ｎ型低濃度クラッド層１２ｂの層厚をｄ（ｎｍ）とし、ｎ型低濃度クラッド層１２ｂの平均Ｓｉ濃度をＮ_ｄ１（ｃｍ^−３）とした場合に、ｄ≧１．２×Ｎ_ｄ１×１０^−１５＋１５０の関係式を満たしている。これにより、ｎ型低濃度クラッド層１２ｂの層厚に依存するとなく一定の降伏電圧Ｖｒを得ることができる。

また、本発明の半導体発光装置は、活性層１３の平均Ｚｎ濃度が２×１０^１６ｃｍ^−３〜４×１０^１６ｃｍ^−３であるため、高い発光効率を有している。

本願発明の半導体発光装置は、以上の２つの構造を有しているため、高い発光効率及び高い降伏電圧Ｖｒを備えるとともに、降伏電圧Ｖｒのロット間ばらつきが少ない。また、本願発明の半導体発光装置の製造方法は、以上の２つの構造を有するように製造工程が行われるため、高い発光効率及び高い降伏電圧Ｖｒを備えるとともに、降伏電圧Ｖｒのロット間ばらつきが低減された半導体発光装置を製造することができる。

なお、上述した半導体発光装置１０及びその製造方法は一例にすぎず、上記内容に限られることは無い。例えば、本実施例においては、ｎクラッド層１２の組成が（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐであったが、活性層に対して透明であれば、Ｇａが０％であるＡｌ_0.5Ｉｎ_0.5Ｐであってもよい。また、高濃度ｎ型クラッド層１２ａ及び低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの組成が異なっていてもよい。例えば、高濃度ｎ型クラッド層１２ａの組成が（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐであり、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂの組成が（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐであってもよい。

また、本実施例においては、ｐ型不純物の添加用原料としてＤＭＺｎを用いたが、Ｃｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いても良い。更に、本実施例においては、ｎ型不純物の添加用原料としてシラン（ＳｉＨ_４）を用いたが、ＤｅＴｅ（ジエチルテルル）又はＨ_２Ｓｅ（セレン水素）を用いても良い。

また、ｎ型及びｐ型を入れ替えて半導体発光装置を製造してもよい。更に、成長用基板１１は１５°オフに限らず、例えば４°オフのものを使用してもよい。なお、かかる場合にも、積層構造体２２の成長温度より３０〜１００℃高い温度で、ｐ型電流拡散層１５を成長する。更に、ｐ型電流拡散層１５の平均Ｚｎ濃度は、１×１０^１８〜５×１０^１８ｃｍ^−３の範囲内で調整することもできる。

また、本実施例の係る半導体発光装置は、成長用基板であるｎ型ＧａＡｓ基板１１を含んでいたが、ｐ型電流拡散層１５の形成後に、成長用基板とは異なる別の支持基板に貼り合わせ、その後にｎ型ＧａＡｓ基板１１を除去し、ｎ型ＧａＡｓ基板１１を含まない構造であっても良い。すなわち、支持基板上に、ｐ型電流拡散層１５、ｐ型クラッド層１４、活性層１３、低濃度ｎ型クラッド層１２ｂ、高濃度ｎ型クラッド層１２ａが積層された構造を有する半導体発光装置であってもよい。かかる貼り合わせタイプの半導体発光装置であっても、上述したｎ型クラッド層の構造を用いることで、降伏電圧Ｖｒのばらつきを抑制することができた。

また、本実施例においては、活性層中の平均Ｚｎ濃度を２×１０^１６〜４×１０^１６ｃｍ^−３にするために、４層構造を有するｐ型電流拡散層１５を形成し、Ｚｎの拡散によって上記濃度に調整したが、以下のような場合であってもよい。例えば、拡散部（平均Ｚｎ濃度：１×１０^１８〜５×１０^１８ｃｍ^−３、層厚：２．５μｍ）及び接続部（平均Ｚｎ濃度：１×１０^１９ｃｍ^−３、層厚：０．５μｍ）から２層構造のｐ型電流拡散層１５を形成し、Ｚｎの拡散によって上記濃度に調整してもよい。更に、４層構造又は２層構造のｐ型電流拡散層を形成する前に、ｐ型拡散制御層（例えば、平均Ｚｎ濃度：１×１０^１７〜１×１０^１８ｃｍ^−３）を形成してもよい。これにより、活性層中のＺｎ濃度をより高精度に制御することが可能になる。

１０ 半導体発光装置
１１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２ａ 高濃度ｎ型クラッド層
１２ｂ 低濃度ｎ型クラッド層
１３ 活性層
１４ ｐ型クラッド層
１５ ｐ型電流拡散層
１６ ｎ側電極
１７ ｐ側電極
２１ アンドープ活性層
２２ 積層構造体

Claims (9)

1. 半導体基板の上に形成され、ｎ型を有する第１のクラッド層と、
   前記第１のクラッド層の上に形成され、平均ドーパント濃度が前記第１のクラッド層よりも低いｎ型を有する第２のクラッド層と、
   前記第２のクラッド層の上に形成され、平均ドーパント濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3〜４×１０¹⁶ｃｍ^-3であって（Ａｌ_yＧａ_1-y）_xＩｎ_1-xＰ（0＜ｘ≦1、0≦ｙ≦1）からなるｐ型の活性層と、
   前記活性層の上に形成され、ｐ型を有する第３のクラッド層と、
   前記第３のクラッド層の上に形成され、Ｇａ_1-xＩｎ_xＰ（0≦ｘ＜1）からなるｐ型半導体層と、を有し、
   前記第２のクラッド層の層厚をｄ（ｎｍ）とし、前記第２のクラッド層の平均ドーパント濃度をＮ_d1（ｃｍ^-3）とした場合に、
   ｄ≧１．２×Ｎ_d1×１０^-15＋１５０
   の関係式を満たすことを特徴とする半導体発光装置。
2. 前記活性層、前記第３のクラッド層及び前記ｐ型半導体層におけるｐ型ドーパントはＺｎであることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
3. 前記第２のクラッド層のドーパント濃度は、１×１０¹⁶ｃｍ^-3〜２×１０¹⁷ｃｍ^-3であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光装置。
4. 前記第１のクラッド層のドーパント濃度は、１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の半導体発光装置。
5. 前記第１のクラッド層及び前記第２のクラッド層の合計層厚は、１マイクロメートル以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の半導体発光装置。
6. 前記活性層、前記第３のクラッド層及び前記ｐ型半導体層におけるドーパント濃度は、前記ｐ型半導体層から前記活性層に向かうにつれて減少していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に記載の半導体発光装置。
7. 半導体発光装置の製造方法であって、
   成長用基板の上にｎ型を有する第１のクラッド層、平均ドーパント濃度が前記第１のクラッド層よりも低いｎ型を有する第２のクラッド層、アンドープであって（Ａｌ_yＧａ_1-y）_xＩｎ_1-xＰ（0＜ｘ≦1、0≦ｙ≦1）からなる活性層、及びｐ型を有する第３のクラッド層を順次成長して積層構造体を形成する工程と、
   前記積層構造体の成長温度より高い成長温度でｐ型半導体層を成長し、前記第２のクラッド層から前記活性層にｐ型のドーパントを拡散させて前記活性層の平均ドーパント濃度を２×１０¹⁶ｃｍ^-3〜４×１０¹⁶ｃｍ^-3に制御する工程と、を有し、
   前記第２のクラッド層の層厚をｄ（ｎｍ）とし、前記第２のクラッド層の平均ドーパント濃度をＮ_d1（ｃｍ^-3）とした場合に、
   ｄ≧１．２×Ｎ_d1×１０^-15＋１５０
   の関係式を満たすように前記第２のクラッド層を形成することを特徴とする製造方法。
8. 前記ｐ型半導体層の成長において、
   ｐ型ドーパントとしてＺｎを用い、
   前記ｐ型半導体層は、少なくとも第１拡散部、第２拡散部、第３拡散部の３層を備え、
   前記第１拡散部の平均Ｚｎ濃度は、１×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 〜５×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 であり、
   前記第２拡散部の平均Ｚｎ濃度は、１×１０ ¹⁶ ｃｍ ^-3 〜５×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 であり、
   前記第３拡散部の平均Ｚｎ濃度は、１×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 〜５×１０ ¹⁸ ｃｍ ^-3 であり、
   前記第３拡散部の平均Ｚｎ濃度は前記第２拡散部の平均Ｚｎ濃度より大きく、
   前記第３拡散部の膜厚は前記第１拡散部の膜厚および前記第２拡散部の膜厚より厚く構成することを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
9. 前記ｐ型半導体層の上に接合部材を介して支持基板を貼り合わせるとともに、前記積層構造体から前記成長用基板を除去する工程を更に有することを特徴とする請求項７又は８に記載の製造方法。

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