半導体発光装置の製造方法及び半導体発光装置
【課題】高い発光効率を備えるとともに、降伏電圧の経時変化の抑制及び順方向電圧の低減を図ることができ、高輝度、且つ、高い信頼性を備える半導体発光装置を製造すること。
【解決手段】
本発明の半導体発光装置の製造方法によれば、成長用基板の上に第１導電型クラッド層、アンドープの活性層、平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3乃至１×１０18ｃｍ-3の第２導電型拡散制御層及び第２導電型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、積層構造体の成長温度より高い成長温度で第２導電型半導体層を成長し、第２導電型拡散制御層から活性層に第２導電型不純物を拡散させて活性層の平均キャリア濃度を２×１０16ｃｍ-3乃至４×１０16ｃｍ-3に制御する第２導電型半導体層形成工程と、を有すること。
【解決手段】
本発明の半導体発光装置の製造方法によれば、成長用基板の上に第１導電型クラッド層、アンドープの活性層、平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3乃至１×１０18ｃｍ-3の第２導電型拡散制御層及び第２導電型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、積層構造体の成長温度より高い成長温度で第２導電型半導体層を成長し、第２導電型拡散制御層から活性層に第２導電型不純物を拡散させて活性層の平均キャリア濃度を２×１０16ｃｍ-3乃至４×１０16ｃｍ-3に制御する第２導電型半導体層形成工程と、を有すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光装置の製造方法及び半導体発光装置に関し、半導体基板上に複数の半導体層を積層する技術を用いた半導体発光装置の製造方法及びこれによって製造される半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
発光効率の向上については、活性層とｐ型クラッド層との間に不純物の拡散を抑制する拡散抑制層を挿入する技術が知られている。例えば、特許文献１には、拡散抑制としてＡｌＩｎＰを挿入する技術が開示されている。また、信頼性の向上については、ｐ型クラッド層にｐ型クラッド層よりも不純物濃度の低い低濃度不純物層又はアンドープ層を挿入することで、降伏電圧の経時変化を抑制する技術が知られている。例えば、特許文献２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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３５３５０２号公報
【特許文献２】特開２００７−４２７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、高い信頼性を得るために、順方向電圧を低減することが要求されている。順方向電圧上昇の低減によって、半導体発光装置の消費電力を小さくすることができ、更には半導体発光装置ごとの消費電力のばらつきを少なくすることにもなるからである。
【０００７】
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、高い発光効率を備えるとともに、降伏電圧の経時変化の抑制及び順方向電圧の低減を図ることができ、高輝度、且つ、高い信頼性を備える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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、成長用基板の上に第１導電型クラッド層、アンドープであって（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦1、0＜ｙ≦1）からなる活性層、平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3乃至１×１０18ｃｍ-3であってＡｌxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ＜1）からなる第２導電型拡散制御層及び第２導電型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、積層構造体の成長温度より高い成長温度で第２導電型半導体層を成長し、第２導電型拡散制御層から活性層に第２導電型不純物を拡散させて活性層の平均キャリア濃度を２×１０16ｃｍ-3乃至４×１０16ｃｍ-3に制御する第２導電型半導体層形成工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
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は、半導体基板の上に形成された第１導電型クラッド層と、第１導電型クラッド層の上に形成され、平均キャリア濃度が２×１０16ｃｍ-3乃至４×１０16ｃｍ-3であって（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦1、0＜ｙ≦1）からなる活性層と、活性上の上に形成され、平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3乃至１×１０18ｃｍ-3であってＡｌxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ＜1）からなる第２導電型拡散制御層と、第２導電型拡散制御層の上に形成された第２導電型クラッド層と、第２導電型クラッド層の上に形成されたＧａ1-xＩｎxＰ（0≦ｘ＜1）からなる第２導電型半導体層と、有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体発光装置の製造方法は、成長用基板の上に第１導電型クラッド層、アンドープであって（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦1、0＜ｙ≦1）からなる活性層、平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3であってＡｌxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ＜1）からなる第２導電型拡散制御層及び第２導電型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、積層構造体の成長温度より高い成長温度で第２導電型半導体層を成長し、第２導電型拡散制御層から活性層に第２導電型不純物を拡散させて活性層の平均キャリア濃度を２×１０16ｃｍ-3〜４×１０16ｃｍ-3に制御する第２導電型半導体層形成工程と、を有している。
【００１１】
このように活性層のキャリア濃度を抑制することによって、高い発光効率を備えるとともに、降伏電圧の経時変化の抑制及び順方向電圧の低減を図ることができ、高輝度、且つ、高い信頼性を備える半導体発光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施例である半導体発光装置の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例である半導体発光装置の各製造工程における断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例である半導体発光装置におけるキャリア濃度の分布を示す図である。
【図４】半導体発光装置ごとの通電試験結果を示す図である。
【図５】半導体発光装置ごとの通電試験結果を示す図である。
【図６】活性層のキャリア濃度と発光効率との関係を示す図である。
【図７】ｐ型拡散制御層のキャリア濃度と発光効率との関係を示す図である。
【図８】活性層のキャリア濃度とｐ型拡散制御層のキャリア濃度との関係を示す図である。
【図９】活性層のキャリア濃度と発光効率との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施例である半導体発光装置の断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施例である半導体発光装置にけるキャリア濃度の分布を示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施例である半導体発光装置の各製造工程における断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施例である半導体発光装置の各製造工程における断面図である。
【図１４】図１３の破線領域３００の拡大図である。
【図１５】本発明の第３の実施例である半導体発光装置の各製造工程における断面図である。
【図１６】本発明の第３の実施例である半導体発光装置の各製造工程における断面図である。
【図１７】本発明の第３の実施例である半導体発光装置の各製造工程における断面図である。
【図１８】本発明の第３の実施例である半導体発光装置の断面図である。
【図１９】図１８の破線領域４００の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【実施例１】
【００１４】
先ず、図１乃至図３を参照しつつ、本発明の第１の実施例であ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。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施例である半導体発光装置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型拡散制御層１４、ｐ型クラッド層１５及びｐ型電流拡散層１６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１７、ｐ型電流拡散層１６上の中央部分にｐ側電極１８を有している。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。
【００１６】
先ず、成長用基板であるｎ型ＧａＡｓ基板１１が準備される（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４度（４°）傾いている。すなわち、ｎ型ＧａＡｓ基板１１は４°オフの成長用基板である。
【００１７】
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ｎ型クラッド層１２、アンドープ活性層２１、ｐ型拡散制御層１４及びｐ型クラッド層１５が順次積層される。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７５０度（７５０℃）、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（ＡｓＨ3）及びフォスフィン（ＰＨ3）が用いられる。なお、Ｖ／ＩＩＩ比は３０〜２００である。不純物添加用の原料としては、例えば、ｎ型不純物としてシラン（ＳｉＨ4）が用いられ、ｐ型不純物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。
【００１８】
先ず、組成が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦１、0＜ｙ≦１）で、Ｓｉの濃度が約１×１０18ｃｍ-3のｎ型クラッド層１２が、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に約３μｍ形成される。本実施例では、ｎ型クラッド層１２は、（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。
【００１９】
次に、組成が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（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が、ｎ型クラッド層１２の上に約５００ｎｍ形成される。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１５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（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、障壁層が（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐである量子井戸構造（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）であっても良い。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、ｘ＝０）であっても良い。本実施例では、ＩｎＧａＰ系の活性層としては、Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐがある。
【００２０】
続いて、組成がＡｌxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ＜１）で、Ｚｎがドープされたｐ型拡散制御層１４が、アンドープ活性層２１の上に約５０ｎｍ形成される。このとき、ｐ型拡散制御層１４の平均Ｚｎ濃度が１×１０17〜１×１０18ｃｍ-3となるように、ＤＭＺｎの供給量が調整される。本実施例では、ｐ型拡散制御層１４は、Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐである。
【００２１】
更に、組成が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦１、0＜ｙ≦１）で、Ｚｎがドープされたｐ型クラッド層１５が、ｐ型拡散制御層１４の上に約１μｍ形成される。このとき、ｐ型クラッド層１５の平均Ｚｎ濃度が約５×１０17ｃｍ-3となるように、ＤＭＺｎの供給量が調整される。本実施例では、ｐ型クラッド層１５は、（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。ｐ型クラッド層１５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。
【００２２】
次に、有機金属気相成長法により、Ｇａ1-xＩｎxＰ（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１６が、積層構造体２２の上に約３μｍ形成される（図２（ｃ））。本実施例では、ｐ型電流拡散層１６は、ＧａＰである。また、Ｉｎ組成を１０％以下のＧａ1-xＩｎxＰ（0≦ｘ≦0.1）から構成することにより、発光波長に対し透明なｐ型電流拡散層１６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８３０℃、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、ＰＨ3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。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１６の成長温度は、積層構造体２２の成長温度より約８０℃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Ｇａ1-xＩｎxＰ（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１６を形成することが好ましい。
【００２３】
また、ｐ型電流拡散層１６の形成時において、ｐ型電流拡散層１６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、ｐ型拡散制御層１４からアンドープ活性層２１へＺｎが拡散し、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。
【００２４】
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）が真空蒸着され、ｎ側電極１７が形成される。続いて、ｐ型電流拡散層１６の上にレジストが塗布される。塗布されたレジストが所望の電極パターンになるように、パターンニングが施される。パターンニングされ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）が蒸着される。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１８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。
【００２５】
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ので、以下においてＺｎ濃度を単にキャリア濃度とも称する。
【００２６】
図３に示されているように、半導体発光装置１０のキャリア濃度は、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のキャリア濃度は１×１０16〜１×１０17ｃｍ-3の範囲内であり、平均キャリア濃度は３×１０16ｃｍ-3であった。ｐ型拡散制御層１４のキャリア濃度は１×１０17〜１．８×１０17ｃｍ-3の範囲内であり、平均キャリア濃度は１．５×１０17ｃｍ-3であった。ｐ型クラッド層１５のキャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3前後であり、平均キャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3であった。ｐ型電流拡散層１６のキャリア濃度は８×１０17〜１．２×１０18ｃｍ-3の範囲内であり、平均キャリア濃度は１×１０18ｃｍ-3であった。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。
【００２７】
次に、図４及び図５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ことができることを説明する。図４は、ｐ型拡散制御層１４のキャリア濃度を変更した場合における降伏電圧の経時変化（通電試験結果）を示している。図４の横軸は通電時間であり、縦軸は降伏電圧の変化量（初期値を基準としている）である。かかる通電試験において、ｐ型拡散制御層１４の平均キャリア濃度が５×１０16、１×１０17、３×１０17及び１×１０18ｃｍ-3の４種類の半導体発光装置（サンプル）と、ｐ型拡散制御層１４を有さないサンプル（比較サンプル）とが使用された。通電試験の詳細としては、各サンプルに対して２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通電し、各経過時間（０、２０、６０、１００時間）における降伏電圧を測定した。降伏電圧の測定時においては、各サンプルに対し、逆方向に１０マイクロアンペア（μＡ）の電流を通電した。
【００２８】
図４から判るように、比較サンプル以外のサンプル（すなわち、ｐ型拡散制御層を有するサンプル）は、降伏電圧の変化がほとんどなかった。一方、比較サンプルの場合、通電時間が長くなると降伏電圧が減少し、１００時間の通電後に降伏電圧が約２０％減少した。このような結果から、ｐ型拡散制御層を挿入することにより、降伏電圧の経時変化を抑制することができることが判った。また、ｐ型拡散制御層のキャリア濃度は、降伏電圧の経時変化抑制には影響を与えないと考えられる。
【００２９】
図５は、ｐ型拡散制御層の膜厚を５０ｎｍから３００ｎｍに変更した３種類のサンプルごとの降伏電圧の経時変化（通電試験結果）を示している。なお、半導体発光装置のその他の構成は、ｐ型拡散制御層の膜厚が５０ｎｍの場合と同じである。図５の横軸は通電時間であり、縦軸は降伏電圧の変化量である。通電試験の詳細は上述した図４の場合と同様であり、各サンプルに対して２０ｍＡの電流を通電し、各経過時間（０、２０、６０、１００時間）における降伏電圧を測定した。降伏電圧の測定時においては、各サンプルに対し、逆方向に１０μＡの電流を通電した。
【００３０】
図５のグラフから判るように、ｐ型拡散制御層の膜厚を薄くしても降伏電圧の変化がほとんどなかった。このことから、高い信頼性を有する半導体発光装置を得るためには、ｐ型拡散制御層を挿入することが重要であることが判った。なお、ｐ型拡散制御層の膜厚及びキャリア濃度は信頼性の向上に直接的に関与していないと考えられる。
【００３１】
活性層とｐ型クラッド層の間にアンドープの半導体層（以下、アンドープ層と称する）を挿入することにより、上述した降伏電圧の経時変化を抑制することもできるが、アンドープ層を挿入すると半導体発光装置自体の直列抵抗が増加する。かかる直列抵抗の増加が起こると、半導体発光装置自体の印加電圧が大きくなり、消費電力及び信頼性の問題が発生してしまう。しかしながら、本発明の半導体発光装置１０においては、ｐ型拡散制御層はｐ型不純物（Ｚｎ）がドープされたＡｌＩｎＰ層であるので低抵抗であり、消費電力及び信頼性の問題は生じない。
【００３２】
以上から、本発明の半導体発光装置１０はｐ型拡散制御層１４を有することにより、降伏電圧の経時変化の抑制及び順方向電圧の低減を図ることができ、更には半導体発光装置ごとの特性ばらつきを低減することができる。
【００３３】
次に、図６乃至図９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。
【００３４】
図６は、活性層のキャリア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６の横軸は活性層の平均キャリア濃度であり、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、平均キャリア濃度が５×１０16ｃｍ-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。
【００３５】
図６から判るように、活性層の平均キャリア濃度が２．０×１０16ｃｍ-3未満の領域においては、平均キャリア濃度が低下すると、発光効率も急峻に減少している。また、平均キャリア濃度が４．０×１０16ｃｍ-3より高い領域おいて、平均キャリア濃度が上昇すると、発光効率も急峻に減少している。更に、平均キャリア濃度が２．０×１０16ｃｍ-3〜４．０×１０16ｃｍ-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、活性層の平均キャリア濃度を２×１０16〜４×１０16ｃｍ-3に調整する必要があることが判った。以下において、高い発光効率をえるために必要な活性層のキャリア濃度範囲をＲａとして示す。
【００３６】
図７は、上述したキャリア濃度が異なる４種類のサンプルごとの発光効率を示している。図７の横軸はｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度であり、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、平均キャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3の時を基準（すなわち、１．０）としている。なお、横軸は対数表示である。
【００３７】
図７から判るように、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3未満になると、半導体発光装置の発光効率が急峻に減少していた。また、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以上のサンプルは、平均キャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3のサンプルの発光効率に対して約２倍以上の発光効率を示した。このようなｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度及び発光効率の関係から、半導体発光装置の発光効率を高くし、且つ、そのばらつきを無くすためには、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度を１．０×１０17ｃｍ-3以上にする必要があることが判る。以下において、高い発光効率をえるために必要なｐ型拡散制御層のキャリア濃度範囲をＲｃとして示す。
【００３８】
図８は、上述した４種類のサンプルごとの活性層の平均キャリア濃度を示している。図８の横軸はｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度であり、縦軸は活性層の平均キャリア濃度である。なお、横軸及び縦軸は対数表示である。
【００３９】
図８から判るように、図７のｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度が最適な範囲Ｒｃから外れていたサンプル（ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3）は、活性層の平均キャリア濃度も活性層の平均キャリア濃度が最適な範囲Ｒａから外れていた。一方、平均キャリア濃度が１×１０17、３×１０17及び１×１０18ｃｍ-3の３種類のサンプルは、活性層の平均キャリア濃度も最適な範囲Ｒａ内であった。このことから、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度を１×１０17ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3の範囲内に調整することで、活性層の平均キャリア濃度が最適な範囲Ｒａ内になり、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が判った。なお、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度を１×１０18ｃｍ-3を超える濃度にすると、活性層の平均キャリア濃度の増加に伴い、活性層の平均キャリア濃度が最適な範囲Ｒａから外れてしまうので、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ない。また、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度を１×１０18ｃｍ-3を超える濃度にすると、ｐ型拡散制御層の表面状態を悪化させる。ｐ型拡散制御層の表面状態が悪化すると、その後に積層されるｐ型クラッド層及びｐ型電流拡散層の表面状態も悪化するので、このような高濃度ドープは好ましくない。
【００４０】
図９は、上述したｐ型拡散制御層の膜厚を薄くした４種類のサンプルごとの発光効率を示している。図９の横軸はｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度であり、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、平均キャリア濃度が５×１０16ｃｍ-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。
【００４１】
図９から判るように、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3未満になると、発光効率が急峻に減少していた。また、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以上のサンプルは、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3であるサンプルの発光効率に対して約１．３倍以上の発光効率を示した。このようなｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度と発光効率との関係は、図７に示されている結果と同様である。図７及び図９の結果から、ｐ型拡散制御層の膜厚を変更してもｐ型拡散制御層及び活性層のキャリア濃度は、高い発光効率を得るためのキャリア濃度範囲内にあることが判った。従って、高い発光効率を有する半導体発光装置を得るためには、ｐ型拡散制御層及び活性層のキャリア濃度を上述したキャリア濃度範囲内に調整することが重要であることが判った。なお、ｐ型拡散制御層の膜厚は発光効率の向上に直接的に関与していないと考えられる。
【００４２】
以上から、高い発光効率を得るためには、ｐ型拡散制御層からアンドープ活性層に拡散するＺｎ濃度を調整することが重要である。具体的には、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度を１×１０17〜１×１０18ｃｍ-3に調整し、更に活性層の平均キャリア濃度を２×１０16〜４×１０16ｃｍ-3に調整することが必要である。本実施例においては、平均キャリア濃度が１×１０17〜１×１０18ｃｍ-3に調整されたｐ型拡散制御層１４を形成し、その後にｐ型拡散制御層１４を含む積層構造体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１６を形成している。このような成長温度の変化により、ｐ型電流拡散層１６の形成に伴ったＺｎの拡散が生じることになる。ここで、ｐ型電流拡散層１６からのＺｎの拡散はｐ型拡散制御層１４によって制御されるので、アンドープ活性層２１に所望のＺｎ拡散（平均キャリア濃度が２×１０16〜４×１０16ｃｍ-3になる拡散）が生じることになる。従って、本実施例における半導体発光装置の製造方法によれば、高輝度の半導体発光装置を提供することができることになる。
【００４３】
以上のように、本発明の半導体発光装置の製造方法は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の上にｎ型クラッド層１２、アンドープ活性層２１、平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3のｐ型拡散制御層１４及びｐ型クラッド層１５を順次成長して積層構造体２２を形成する工程と、積層構造体２２の成長温度より高い成長温度でｐ型電流拡散層１６を成長し、ｐ型拡散制御層１４からアンドープ活性層２１にＺｎを拡散させてアンドープ活性層２１の平均キャリア濃度を２×１０16ｃｍ-3〜４×１０16ｃｍ-3に制御する（すなわち、アンドープ活性層２１をＺｎがドープされた活性層１３に変化する）第２導電型半導体層形成工程と、を有している。このように、活性層のキャリア濃度を制御することによって、高い発光効率を備えるとともに、降伏電圧の経時変化の抑制及び順方向電圧の低減を図ることができ、高輝度、且つ、高い信頼性を備える半導体発光装置を製造することができる。
【００４４】
なお、上述した半導体装置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、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良い。更に、成長用基板１１は４°オフに限らず、例えば１５°オフのものを使用しても良い。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１６を成長する。また、ｐ型電流拡散層１６にインジウム（Ｉｎ）を添加しても良い。更に、ｐ型電流拡散層１６の平均キャリア濃度は、１×１０18〜５×１０18ｃｍ-3の範囲内で調整することもできる。
【実施例２】
【００４５】
第１の実施例においては、ｐ型電流拡散層１６のキャリア濃度がほぼ均一になるようにＺｎをドープしたが、ｐ型電流拡散層１６の膜厚が３μｍよりも厚くなるとｐ型電流拡散層の形成時間が長くなり、Ｚｎの拡散量が増加してしまう。かかるＺｎの拡散量の増加により、ｐ型拡散制御層１４からアンドープ活性層２１へのＺｎの拡散量が増加し、活性層１３のキャリア濃度を最適な範囲Ｒａ内に調整することが困難になる場合がある。以下に、ｐ型電流拡散層の膜厚が３μｍより厚い場合においても高い信頼性及び高い発光効率を有する半導体発光装置を図１０及び図１１を参照しつつ説明する。
【００４６】
図１０は、本発明の第２の実施例である半導体発光装置１００の断面図である。図１０に示されているように、半導体発光装置１００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型拡散制御層１４、ｐ型クラッド層１５及びｐ型電流拡散層１０１が順次積層されている。更に、半導体発光装置１００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１７、ｐ型電流拡散層１６上の中央部分にｐ側電極１８を有している。
【００４７】
半導体発光装置１００は、第１の実施例である半導体発光装置１０と比較して、ｐ型電流拡散層１０１の部分のみが異なっており、その他の構成は同一である。以下においてｐ型電流拡散層１０１のみについて詳細に説明し、その他の構成の説明は省略する。
【００４８】
図１０に示されているように、ｐ型電流拡散層１０１は、膜厚及びキャリア濃度が異なる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１０１ａ、第２拡散部１０１ｂ、第３拡散部１０１ｃ及び接合部１０１ｄが順次積層されている。第１拡散部１０１ａの膜厚は約１００ｎｍ、第２拡散部１０１ｂの膜厚は９００ｎｍ、第３拡散部１０１ｃの膜厚は９５００ｎｍ、接合部１０１ｄの膜厚は５００ｎｍである。
【００４９】
図１１は、本実施例の半導体発光装置１００におけるキャリア濃度分布（すなわち、Ｚｎの拡散状態）を示すグラフである。
【００５０】
図１１に示されているように、活性層１３からｐ型クラッド層１５までのキャリア濃度は、第１の実施例である半導体発光装置１０と同様の分布になっている。半導体発光装置１０と異なる部分は、ｐ型電流拡散層１０１内でのキャリア濃度である。第１拡散部１０１ａにおける平均キャリア濃度が約１×１０18ｃｍ-3、第２拡散部１０１ｂにおける平均キャリア濃度が約１．５×１０18ｃｍ-3、第３拡散部１０１ｃにおける平均キャリア濃度が約２×１０18ｃｍ-3、接合部１０１ｄにおける平均キャリア濃度が約１×１０19ｃｍ-3であり、ｐ型電流拡散層１０１における平均キャリア濃度は約３×１０18ｃｍ-3である。すなわち、ｐ型電流拡散層１０１のキャリア濃度は、ｐ型電流拡散層１４の表面からｐ型電流拡散層１４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している。
【００５１】
ｐ型電流拡散層１０１内のＺｎプロファイルを図１１のようにすることで、活性層１３のキャリア濃度を２×１０16ｃｍ-3〜４×１０16ｃｍ-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、膜厚の最も厚い第３拡散部１０１ｃのＺｎの拡散が、ｐ型電流拡散層１０１からｐ型クラッド層１５への拡散量に最も影響している。しかしながら、第３拡散部１０１ｃのＺｎの拡散は、第３拡散部１０１ｃよりもキャリア濃度が低い第２拡散部１０１ｂによって抑制されてしまう。かかる第３拡散部１０１ｃにおけるＺｎ拡散の抑制により、ｐ型電流拡散層１０１からｐ型クラッド層１５へのＺｎの拡散量が抑制され、活性層１３のキャリア濃度を２×１０16ｃｍ-3〜４×１０16ｃｍ-3に調整することが可能になると考えられる。従って、図１１に示されているように、ｐ型電流拡散層１０１におけるキャリア濃度が、ｐ型電流拡散層１４の表面からｐ型電流拡散層１４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１０１ａ、第２拡散部１０１ｂ及び第３拡散部１０１ｃの膜厚及び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１０１ａにおける平均キャリア濃度は１×１０18〜５×１０18ｃｍ-3、第２拡散部１０１ｂにおける平均キャリア濃度は１×１０16ｃｍ-3〜５×１０18ｃｍ-3、第３拡散部１０１ｃにおける平均キャリア濃度は１×１０18ｃｍ-3〜５×１０18ｃｍ-3の範囲内で調整することができる。なお、接合部１０１ｄは、ｐ側電極１８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１０１ｃとｐ側電極１８との間でオーミック接触を得ることができれば、接合部１０１ｄは不要である。
【００５２】
なお、本実施例における半導体発光装置１００の製造方法は、第１の実施例における半導体発光装置１０の製造方法とほぼ同一であるので、その製造方法については省略する。第１の実施例の製造方法と比較して異なる部分は、ｐ型電流拡散層１０１を上述した４層構造になるように、Ｚｎのドープ量を調整することである。
【００５３】
本実施例における半導体発光装置１００について、第１の実施例と同一の実験（通電試験、キャリア濃度と発光効率の関係調査）を実施したが、本実施例における半導体発光装置１００においても第１の実施例と同一の効果が得られた。かかる理由を以下に説明する。本実施例における半導体発光装置１００は、ｐ型電流拡散層１０１内のキャリア濃度がｐ型電流拡散層１０１の表面からｐ型電流拡散層１０１とｐ型クラッド層１５との界面に近づくにつれて減少し、更にｐ型拡散制御層１４の平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3の範囲内に調整されているので、活性層１３の平均キャリア濃度を２×１０16ｃｍ-3〜４×１０16ｃｍ-3にすることが可能になる。従って、ｐ型電流拡散層１０１の膜厚が３μｍより厚い場合においても、半導体発光装置１００は高い発光効率を有することになる。また、半導体発光装置１００にはｐ型拡散制御層が含まれているので、半導体発光装置１００は高い信頼性も有している。以上のことから、本実施例における半導体発光装置１００も高輝度で、且つ高い信頼性を有している。
【実施例３】
【００５４】
第１及び第２の実施例においては、成長用基板として用いたｎ型ＧａＡｓ基板１１を半導体発光装置の構成部材として残していたが、ｎ型ＧａＡｓ基板１１を除去して異なる支持基板に積層構造体を貼り合わせても良い。このような場合の半導体発光装置及びその製造方法を第３の実施例とし、図１２乃至１８を参照しつつ、以下に説明する。
【００５５】
先ず、ホウ素（Ｂ）が添加されたシリコン（Ｓｉ）からなる支持基板１２１が準備される（図１２（ａ））。次に、電子線加熱蒸着法によって支持基板１２１の両面に、金属層として第１の白金（Ｐｔ）層（表面白金族金属層）１２２及び第２のＰｔ層（裏面白金族金属層）１２３が形成される（図１２（ｂ））。
【００５６】
次に、電子線加熱蒸着法によって第２のＰｔ層１２３上に、チタン（Ｔｉ）層１２４が形成される。更に、電子線加熱蒸着法によってＴｉ層１２４上に、第１のＮｉ層１２５が形成される（図１２（ｃ））。
【００５７】
次に、電子線加熱蒸着法によって第１のＮｉ層１２５上にＡｕＳｎ半田層１２６が形成される（図１２（ｄ））。ＡｕＳｎ半田層１２６のＡｕとＳｎとの組成比は、重量比で約８：２、原子数比で約７：３である。本実施例においては、第１のＮｉ層１２５とＡｕＳｎ半田層１２６とから第１の接合金属層が形成されている。本工程の終了により、支持体部１３０の形成が完了する。
【００５８】
次に、成長用基板としてｎ型ＧａＡｓ基板１１が準備される（図１３（ａ））。続いて、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上にＭＯＣＶＤにより、ｎ型クラッド層１２、活性層１３、ｐ型拡散制御層１４、ｐ型クラッド層１５及びｐ型コンタクト層１３１が順次積層され、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に発光動作層１３２が形成される（図１３（ｂ）、図１４）。図１４は、図１３（ｂ）の破線領域３００の拡大図である。ここで、半導体成長層１３２は、第１の実施例の構造（図１参照）と同一であり、第１の実施例と同様の方法でｎ型ＧａＡｓ基板１１上に形成されるので、その説明は省略する。なお、第１の実施例のｐ型クラッド層１５上に形成される層と、本実施例のｐ型クラッド層１５上に形成される層とは名称が異なっているが、両層ともＧａ1-xＩｎxＰ（0≦ｘ＜1）の材料から構成されている。これは、本実施例において、ｐ型クラッド層１５上に形成される層は、電極とのオーミック接触を得るために用いられた層だからである。
【００５９】
次に、スパッタリングにより、半導体成長層１３２上に反射電極層として金−亜鉛（ＡｕＺｎ）層１３３が堆積される（図１３（ｃ））。ＡｕＺｎ層１３３は、半導体成長層１３２において発生した光を光取り出し面側に反射する。これにより、半導体発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。
【００６０】
次に、反応性スパッタリングにより、ＡｕＺｎ層１３３上に第１の窒化タンタル（ＴａＮ）層１３４が形成される。続いて、反応性スパッタリングにより、第１のＴａＮ層１３４上にチタン−タングステン（ＴｉＷ）層１３５が形成される。更に、反応性スパッタリングにより、ＴｉＷ層１３５上に第２のＴａＮ層１３６が形成される（図１３（ｄ））。第１のＴａＮ層１３４、ＴｉＷ層１３５及び、第２のＴａＮ層１３６は、後述する接合部材（共晶材料）が拡散によってＡｕＺｎ層１３３に侵入すること防止する
次に、電子線加熱蒸着法によって第２のＴａＮ層１３６上に、第２のＮｉ層１３７が形成される。更に、電子線加熱蒸着法によって第２のＮｉ層１３７上に、Ａｕ層１３８が形成される（図１３（ｅ））。本実施例においては、第２のＮｉ層１３７とＡｕ層１３８とから第２の接合金属層が形成されている。本工程の終了により、発光体部１４０の形成が完了する。
【００６１】
次に、支持体部１３０のＡｕＳｎ半田層１２６と、発光体部１４０のＡｕ層１３８と、が対向した状態で、支持体部１３０及び発光体部１４０が密着される。その後、密着した支持体部１３０及び発光体部１４０が窒素雰囲気下で熱圧着される（図１５）。熱圧着の条件は、例えば、圧力が約１メガパスカル（ＭＰａ）、温度が約３４０℃、圧着時間が約１０分間である。この熱圧着によって、ＡｕＳｎ半田層１２６が溶融し、第２のＮｉ層１３７及びＡｕ層１３８が、溶融しているＡｕＳｎ半田層１２６に溶解する。更に、ＡｕＳｎ半田層１２６のＡｕ及びＳｎ及びＡｕ層１３８のＡｕが、第１のＮｉ層１２５及び第２のＮｉ層１３７に拡散して吸収される。更に、溶融したＡｕＳｎ半田層１２６が固化することにより、ＡｕＳｎＮｉからなる接合層１６１が形成される。これにより支持体部１３０と発光体部１４０とが接合され、接合体１７０が形成される（図１６）。
【００６２】
次に、アンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いたウエットエッチングにより、接合体１７０からｎ型ＧａＡｓ基板１１が除去される。ｎ型ＧａＡｓ基板１１が除去されることにより、半導体成長層１３２の表面（が露出する（図１７）。なお、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の除去は、ドライエッチング、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）、機械的研削など、又はこれらを組み合わせた方法によって行われても良い。
【００６３】
次に、半導体成長層１３２上にレジストが塗布される。塗布されたレジストが所望の電極パターンになるように、パターンニングが施される。パターンニングされたレジストの開口部分に、電子線加熱蒸着法によって金・ゲルマニウム・ ニッケル（ＡｕＧｅＮｉ）が蒸着される。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ＡｕＧｅＮｉが形成される。更に、ＡｕＧｅＮｉ及び接合体１７０に対して、窒素雰囲気下で約４００℃の加熱処理が施される。これによってＡｕＧｅＮｉと半導体成長層１３２との合金化が図られ、半導体成長層１３２と良好なオーミック接合した外部接続電極１８１が形成される。本工程の終了により、半導体発光装置２００が完成する（図１８）。
【００６４】
図１８の破線領域４００の拡大図を図１９に示す。図１９に示されているように、ＡｕＺｎ層１３３上にｐ型コンタクト層１３１、ｐ型クラッド層１５、ｐ型拡散制御層１４、活性層１３及びｎ型クラッド層１２がこの順序で積層されている。
【００６５】
本実施例における製造方法によって製造される半導体発光装置２００について、第１の実施例と同一の実験（通電試験、キャリア濃度と発光効率の関係調査）を実施したが、本実施例における半導体発光装置２００においても第１の実施例と同一の効果が得られた。これは、貼り合わせ工程前におけるｎ型ＧａＡｓ基板１１上に半導体成長層１３２を形成する方法が、第１及び第２の実施例と同一だからである。すなわち、半導体成長層１３２の形成後に、ｎ型ＧａＡｓ基板１１を除去する工程及び新たな支持基板（半導体基板）に貼り合わせる工程を経由しても、高輝度、且つ、高い信頼性を有す半導体発光装置を製造することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１０ 半導体発光装置
１１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型クラッド層
１３ 活性層
１４ ｐ型拡散制御層
１５ ｐ型クラッド層
１６ ｐ型電流拡散層
１７ ｎ側電極
１８ ｐ側電極
２１ アンドープ活性層
２２ 積層構造体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光装置の製造方法及び半導体発光装置に関し、半導体基板上に複数の半導体層を積層する技術を用いた半導体発光装置の製造方法及びこれによって製造される半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
発光効率の向上については、活性層とｐ型クラッド層との間に不純物の拡散を抑制する拡散抑制層を挿入する技術が知られている。例えば、特許文献１には、拡散抑制としてＡｌＩｎＰを挿入する技術が開示されている。また、信頼性の向上については、ｐ型クラッド層にｐ型クラッド層よりも不純物濃度の低い低濃度不純物層又はアンドープ層を挿入することで、降伏電圧の経時変化を抑制する技術が知られている。例えば、特許文献２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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３５３５０２号公報
【特許文献２】特開２００７−４２７５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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、高い信頼性を得るために、順方向電圧を低減することが要求されている。順方向電圧上昇の低減によって、半導体発光装置の消費電力を小さくすることができ、更には半導体発光装置ごとの消費電力のばらつきを少なくすることにもなるからである。
【０００７】
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、高い発光効率を備えるとともに、降伏電圧の経時変化の抑制及び順方向電圧の低減を図ることができ、高輝度、且つ、高い信頼性を備える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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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、成長用基板の上に第１導電型クラッド層、アンドープであって（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦1、0＜ｙ≦1）からなる活性層、平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3乃至１×１０18ｃｍ-3であってＡｌxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ＜1）からなる第２導電型拡散制御層及び第２導電型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、積層構造体の成長温度より高い成長温度で第２導電型半導体層を成長し、第２導電型拡散制御層から活性層に第２導電型不純物を拡散させて活性層の平均キャリア濃度を２×１０16ｃｍ-3乃至４×１０16ｃｍ-3に制御する第２導電型半導体層形成工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
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は、半導体基板の上に形成された第１導電型クラッド層と、第１導電型クラッド層の上に形成され、平均キャリア濃度が２×１０16ｃｍ-3乃至４×１０16ｃｍ-3であって（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦1、0＜ｙ≦1）からなる活性層と、活性上の上に形成され、平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3乃至１×１０18ｃｍ-3であってＡｌxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ＜1）からなる第２導電型拡散制御層と、第２導電型拡散制御層の上に形成された第２導電型クラッド層と、第２導電型クラッド層の上に形成されたＧａ1-xＩｎxＰ（0≦ｘ＜1）からなる第２導電型半導体層と、有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の半導体発光装置の製造方法は、成長用基板の上に第１導電型クラッド層、アンドープであって（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦1、0＜ｙ≦1）からなる活性層、平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3であってＡｌxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ＜1）からなる第２導電型拡散制御層及び第２導電型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、積層構造体の成長温度より高い成長温度で第２導電型半導体層を成長し、第２導電型拡散制御層から活性層に第２導電型不純物を拡散させて活性層の平均キャリア濃度を２×１０16ｃｍ-3〜４×１０16ｃｍ-3に制御する第２導電型半導体層形成工程と、を有している。
【００１１】
このように活性層のキャリア濃度を抑制することによって、高い発光効率を備えるとともに、降伏電圧の経時変化の抑制及び順方向電圧の低減を図ることができ、高輝度、且つ、高い信頼性を備える半導体発光装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施例である半導体発光装置の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例である半導体発光装置の各製造工程における断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例である半導体発光装置におけるキャリア濃度の分布を示す図である。
【図４】半導体発光装置ごとの通電試験結果を示す図である。
【図５】半導体発光装置ごとの通電試験結果を示す図である。
【図６】活性層のキャリア濃度と発光効率との関係を示す図である。
【図７】ｐ型拡散制御層のキャリア濃度と発光効率との関係を示す図である。
【図８】活性層のキャリア濃度とｐ型拡散制御層のキャリア濃度との関係を示す図である。
【図９】活性層のキャリア濃度と発光効率との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施例である半導体発光装置の断面図である。
【図１１】本発明の第２の実施例である半導体発光装置にけるキャリア濃度の分布を示す図である。
【図１２】本発明の第３の実施例である半導体発光装置の各製造工程における断面図である。
【図１３】本発明の第３の実施例である半導体発光装置の各製造工程における断面図である。
【図１４】図１３の破線領域３００の拡大図である。
【図１５】本発明の第３の実施例である半導体発光装置の各製造工程における断面図である。
【図１６】本発明の第３の実施例である半導体発光装置の各製造工程における断面図である。
【図１７】本発明の第３の実施例である半導体発光装置の各製造工程における断面図である。
【図１８】本発明の第３の実施例である半導体発光装置の断面図である。
【図１９】図１８の破線領域４００の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【実施例１】
【００１４】
先ず、図１乃至図３を参照しつつ、本発明の第１の実施例であ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。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施例である半導体発光装置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型拡散制御層１４、ｐ型クラッド層１５及びｐ型電流拡散層１６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１７、ｐ型電流拡散層１６上の中央部分にｐ側電極１８を有している。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。
【００１６】
先ず、成長用基板であるｎ型ＧａＡｓ基板１１が準備される（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４度（４°）傾いている。すなわち、ｎ型ＧａＡｓ基板１１は４°オフの成長用基板である。
【００１７】
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ｎ型クラッド層１２、アンドープ活性層２１、ｐ型拡散制御層１４及びｐ型クラッド層１５が順次積層される。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７５０度（７５０℃）、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（ＡｓＨ3）及びフォスフィン（ＰＨ3）が用いられる。なお、Ｖ／ＩＩＩ比は３０〜２００である。不純物添加用の原料としては、例えば、ｎ型不純物としてシラン（ＳｉＨ4）が用いられ、ｐ型不純物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。
【００１８】
先ず、組成が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦１、0＜ｙ≦１）で、Ｓｉの濃度が約１×１０18ｃｍ-3のｎ型クラッド層１２が、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に約３μｍ形成される。本実施例では、ｎ型クラッド層１２は、（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。
【００１９】
次に、組成が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（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が、ｎ型クラッド層１２の上に約５００ｎｍ形成される。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１５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（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、障壁層が（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐである量子井戸構造（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）であっても良い。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、ｘ＝０）であっても良い。本実施例では、ＩｎＧａＰ系の活性層としては、Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐがある。
【００２０】
続いて、組成がＡｌxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ＜１）で、Ｚｎがドープされたｐ型拡散制御層１４が、アンドープ活性層２１の上に約５０ｎｍ形成される。このとき、ｐ型拡散制御層１４の平均Ｚｎ濃度が１×１０17〜１×１０18ｃｍ-3となるように、ＤＭＺｎの供給量が調整される。本実施例では、ｐ型拡散制御層１４は、Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐである。
【００２１】
更に、組成が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦１、0＜ｙ≦１）で、Ｚｎがドープされたｐ型クラッド層１５が、ｐ型拡散制御層１４の上に約１μｍ形成される。このとき、ｐ型クラッド層１５の平均Ｚｎ濃度が約５×１０17ｃｍ-3となるように、ＤＭＺｎの供給量が調整される。本実施例では、ｐ型クラッド層１５は、（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。ｐ型クラッド層１５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。
【００２２】
次に、有機金属気相成長法により、Ｇａ1-xＩｎxＰ（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１６が、積層構造体２２の上に約３μｍ形成される（図２（ｃ））。本実施例では、ｐ型電流拡散層１６は、ＧａＰである。また、Ｉｎ組成を１０％以下のＧａ1-xＩｎxＰ（0≦ｘ≦0.1）から構成することにより、発光波長に対し透明なｐ型電流拡散層１６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８３０℃、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、ＰＨ3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。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１６の成長温度は、積層構造体２２の成長温度より約８０℃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Ｇａ1-xＩｎxＰ（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１６を形成することが好ましい。
【００２３】
また、ｐ型電流拡散層１６の形成時において、ｐ型電流拡散層１６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、ｐ型拡散制御層１４からアンドープ活性層２１へＺｎが拡散し、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。
【００２４】
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）が真空蒸着され、ｎ側電極１７が形成される。続いて、ｐ型電流拡散層１６の上にレジストが塗布される。塗布されたレジストが所望の電極パターンになるように、パターンニングが施される。パターンニングされ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）が蒸着される。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１８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。
【００２５】
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ので、以下においてＺｎ濃度を単にキャリア濃度とも称する。
【００２６】
図３に示されているように、半導体発光装置１０のキャリア濃度は、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のキャリア濃度は１×１０16〜１×１０17ｃｍ-3の範囲内であり、平均キャリア濃度は３×１０16ｃｍ-3であった。ｐ型拡散制御層１４のキャリア濃度は１×１０17〜１．８×１０17ｃｍ-3の範囲内であり、平均キャリア濃度は１．５×１０17ｃｍ-3であった。ｐ型クラッド層１５のキャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3前後であり、平均キャリア濃度は５×１０17ｃｍ-3であった。ｐ型電流拡散層１６のキャリア濃度は８×１０17〜１．２×１０18ｃｍ-3の範囲内であり、平均キャリア濃度は１×１０18ｃｍ-3であった。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。
【００２７】
次に、図４及び図５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ことができることを説明する。図４は、ｐ型拡散制御層１４のキャリア濃度を変更した場合における降伏電圧の経時変化（通電試験結果）を示している。図４の横軸は通電時間であり、縦軸は降伏電圧の変化量（初期値を基準としている）である。かかる通電試験において、ｐ型拡散制御層１４の平均キャリア濃度が５×１０16、１×１０17、３×１０17及び１×１０18ｃｍ-3の４種類の半導体発光装置（サンプル）と、ｐ型拡散制御層１４を有さないサンプル（比較サンプル）とが使用された。通電試験の詳細としては、各サンプルに対して２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通電し、各経過時間（０、２０、６０、１００時間）における降伏電圧を測定した。降伏電圧の測定時においては、各サンプルに対し、逆方向に１０マイクロアンペア（μＡ）の電流を通電した。
【００２８】
図４から判るように、比較サンプル以外のサンプル（すなわち、ｐ型拡散制御層を有するサンプル）は、降伏電圧の変化がほとんどなかった。一方、比較サンプルの場合、通電時間が長くなると降伏電圧が減少し、１００時間の通電後に降伏電圧が約２０％減少した。このような結果から、ｐ型拡散制御層を挿入することにより、降伏電圧の経時変化を抑制することができることが判った。また、ｐ型拡散制御層のキャリア濃度は、降伏電圧の経時変化抑制には影響を与えないと考えられる。
【００２９】
図５は、ｐ型拡散制御層の膜厚を５０ｎｍから３００ｎｍに変更した３種類のサンプルごとの降伏電圧の経時変化（通電試験結果）を示している。なお、半導体発光装置のその他の構成は、ｐ型拡散制御層の膜厚が５０ｎｍの場合と同じである。図５の横軸は通電時間であり、縦軸は降伏電圧の変化量である。通電試験の詳細は上述した図４の場合と同様であり、各サンプルに対して２０ｍＡの電流を通電し、各経過時間（０、２０、６０、１００時間）における降伏電圧を測定した。降伏電圧の測定時においては、各サンプルに対し、逆方向に１０μＡの電流を通電した。
【００３０】
図５のグラフから判るように、ｐ型拡散制御層の膜厚を薄くしても降伏電圧の変化がほとんどなかった。このことから、高い信頼性を有する半導体発光装置を得るためには、ｐ型拡散制御層を挿入することが重要であることが判った。なお、ｐ型拡散制御層の膜厚及びキャリア濃度は信頼性の向上に直接的に関与していないと考えられる。
【００３１】
活性層とｐ型クラッド層の間にアンドープの半導体層（以下、アンドープ層と称する）を挿入することにより、上述した降伏電圧の経時変化を抑制することもできるが、アンドープ層を挿入すると半導体発光装置自体の直列抵抗が増加する。かかる直列抵抗の増加が起こると、半導体発光装置自体の印加電圧が大きくなり、消費電力及び信頼性の問題が発生してしまう。しかしながら、本発明の半導体発光装置１０においては、ｐ型拡散制御層はｐ型不純物（Ｚｎ）がドープされたＡｌＩｎＰ層であるので低抵抗であり、消費電力及び信頼性の問題は生じない。
【００３２】
以上から、本発明の半導体発光装置１０はｐ型拡散制御層１４を有することにより、降伏電圧の経時変化の抑制及び順方向電圧の低減を図ることができ、更には半導体発光装置ごとの特性ばらつきを低減することができる。
【００３３】
次に、図６乃至図９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。
【００３４】
図６は、活性層のキャリア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６の横軸は活性層の平均キャリア濃度であり、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、平均キャリア濃度が５×１０16ｃｍ-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。
【００３５】
図６から判るように、活性層の平均キャリア濃度が２．０×１０16ｃｍ-3未満の領域においては、平均キャリア濃度が低下すると、発光効率も急峻に減少している。また、平均キャリア濃度が４．０×１０16ｃｍ-3より高い領域おいて、平均キャリア濃度が上昇すると、発光効率も急峻に減少している。更に、平均キャリア濃度が２．０×１０16ｃｍ-3〜４．０×１０16ｃｍ-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、活性層の平均キャリア濃度を２×１０16〜４×１０16ｃｍ-3に調整する必要があることが判った。以下において、高い発光効率をえるために必要な活性層のキャリア濃度範囲をＲａとして示す。
【００３６】
図７は、上述したキャリア濃度が異なる４種類のサンプルごとの発光効率を示している。図７の横軸はｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度であり、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、平均キャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3の時を基準（すなわち、１．０）としている。なお、横軸は対数表示である。
【００３７】
図７から判るように、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3未満になると、半導体発光装置の発光効率が急峻に減少していた。また、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以上のサンプルは、平均キャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3のサンプルの発光効率に対して約２倍以上の発光効率を示した。このようなｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度及び発光効率の関係から、半導体発光装置の発光効率を高くし、且つ、そのばらつきを無くすためには、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度を１．０×１０17ｃｍ-3以上にする必要があることが判る。以下において、高い発光効率をえるために必要なｐ型拡散制御層のキャリア濃度範囲をＲｃとして示す。
【００３８】
図８は、上述した４種類のサンプルごとの活性層の平均キャリア濃度を示している。図８の横軸はｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度であり、縦軸は活性層の平均キャリア濃度である。なお、横軸及び縦軸は対数表示である。
【００３９】
図８から判るように、図７のｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度が最適な範囲Ｒｃから外れていたサンプル（ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3）は、活性層の平均キャリア濃度も活性層の平均キャリア濃度が最適な範囲Ｒａから外れていた。一方、平均キャリア濃度が１×１０17、３×１０17及び１×１０18ｃｍ-3の３種類のサンプルは、活性層の平均キャリア濃度も最適な範囲Ｒａ内であった。このことから、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度を１×１０17ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3の範囲内に調整することで、活性層の平均キャリア濃度が最適な範囲Ｒａ内になり、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が判った。なお、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度を１×１０18ｃｍ-3を超える濃度にすると、活性層の平均キャリア濃度の増加に伴い、活性層の平均キャリア濃度が最適な範囲Ｒａから外れてしまうので、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ない。また、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度を１×１０18ｃｍ-3を超える濃度にすると、ｐ型拡散制御層の表面状態を悪化させる。ｐ型拡散制御層の表面状態が悪化すると、その後に積層されるｐ型クラッド層及びｐ型電流拡散層の表面状態も悪化するので、このような高濃度ドープは好ましくない。
【００４０】
図９は、上述したｐ型拡散制御層の膜厚を薄くした４種類のサンプルごとの発光効率を示している。図９の横軸はｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度であり、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、平均キャリア濃度が５×１０16ｃｍ-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。
【００４１】
図９から判るように、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3未満になると、発光効率が急峻に減少していた。また、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3以上のサンプルは、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度が５×１０16ｃｍ-3であるサンプルの発光効率に対して約１．３倍以上の発光効率を示した。このようなｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度と発光効率との関係は、図７に示されている結果と同様である。図７及び図９の結果から、ｐ型拡散制御層の膜厚を変更してもｐ型拡散制御層及び活性層のキャリア濃度は、高い発光効率を得るためのキャリア濃度範囲内にあることが判った。従って、高い発光効率を有する半導体発光装置を得るためには、ｐ型拡散制御層及び活性層のキャリア濃度を上述したキャリア濃度範囲内に調整することが重要であることが判った。なお、ｐ型拡散制御層の膜厚は発光効率の向上に直接的に関与していないと考えられる。
【００４２】
以上から、高い発光効率を得るためには、ｐ型拡散制御層からアンドープ活性層に拡散するＺｎ濃度を調整することが重要である。具体的には、ｐ型拡散制御層の平均キャリア濃度を１×１０17〜１×１０18ｃｍ-3に調整し、更に活性層の平均キャリア濃度を２×１０16〜４×１０16ｃｍ-3に調整することが必要である。本実施例においては、平均キャリア濃度が１×１０17〜１×１０18ｃｍ-3に調整されたｐ型拡散制御層１４を形成し、その後にｐ型拡散制御層１４を含む積層構造体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１６を形成している。このような成長温度の変化により、ｐ型電流拡散層１６の形成に伴ったＺｎの拡散が生じることになる。ここで、ｐ型電流拡散層１６からのＺｎの拡散はｐ型拡散制御層１４によって制御されるので、アンドープ活性層２１に所望のＺｎ拡散（平均キャリア濃度が２×１０16〜４×１０16ｃｍ-3になる拡散）が生じることになる。従って、本実施例における半導体発光装置の製造方法によれば、高輝度の半導体発光装置を提供することができることになる。
【００４３】
以上のように、本発明の半導体発光装置の製造方法は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の上にｎ型クラッド層１２、アンドープ活性層２１、平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3のｐ型拡散制御層１４及びｐ型クラッド層１５を順次成長して積層構造体２２を形成する工程と、積層構造体２２の成長温度より高い成長温度でｐ型電流拡散層１６を成長し、ｐ型拡散制御層１４からアンドープ活性層２１にＺｎを拡散させてアンドープ活性層２１の平均キャリア濃度を２×１０16ｃｍ-3〜４×１０16ｃｍ-3に制御する（すなわち、アンドープ活性層２１をＺｎがドープされた活性層１３に変化する）第２導電型半導体層形成工程と、を有している。このように、活性層のキャリア濃度を制御することによって、高い発光効率を備えるとともに、降伏電圧の経時変化の抑制及び順方向電圧の低減を図ることができ、高輝度、且つ、高い信頼性を備える半導体発光装置を製造することができる。
【００４４】
なお、上述した半導体装置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、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良い。更に、成長用基板１１は４°オフに限らず、例えば１５°オフのものを使用しても良い。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１６を成長する。また、ｐ型電流拡散層１６にインジウム（Ｉｎ）を添加しても良い。更に、ｐ型電流拡散層１６の平均キャリア濃度は、１×１０18〜５×１０18ｃｍ-3の範囲内で調整することもできる。
【実施例２】
【００４５】
第１の実施例においては、ｐ型電流拡散層１６のキャリア濃度がほぼ均一になるようにＺｎをドープしたが、ｐ型電流拡散層１６の膜厚が３μｍよりも厚くなるとｐ型電流拡散層の形成時間が長くなり、Ｚｎの拡散量が増加してしまう。かかるＺｎの拡散量の増加により、ｐ型拡散制御層１４からアンドープ活性層２１へのＺｎの拡散量が増加し、活性層１３のキャリア濃度を最適な範囲Ｒａ内に調整することが困難になる場合がある。以下に、ｐ型電流拡散層の膜厚が３μｍより厚い場合においても高い信頼性及び高い発光効率を有する半導体発光装置を図１０及び図１１を参照しつつ説明する。
【００４６】
図１０は、本発明の第２の実施例である半導体発光装置１００の断面図である。図１０に示されているように、半導体発光装置１００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型拡散制御層１４、ｐ型クラッド層１５及びｐ型電流拡散層１０１が順次積層されている。更に、半導体発光装置１００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１７、ｐ型電流拡散層１６上の中央部分にｐ側電極１８を有している。
【００４７】
半導体発光装置１００は、第１の実施例である半導体発光装置１０と比較して、ｐ型電流拡散層１０１の部分のみが異なっており、その他の構成は同一である。以下においてｐ型電流拡散層１０１のみについて詳細に説明し、その他の構成の説明は省略する。
【００４８】
図１０に示されているように、ｐ型電流拡散層１０１は、膜厚及びキャリア濃度が異なる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１０１ａ、第２拡散部１０１ｂ、第３拡散部１０１ｃ及び接合部１０１ｄが順次積層されている。第１拡散部１０１ａの膜厚は約１００ｎｍ、第２拡散部１０１ｂの膜厚は９００ｎｍ、第３拡散部１０１ｃの膜厚は９５００ｎｍ、接合部１０１ｄの膜厚は５００ｎｍである。
【００４９】
図１１は、本実施例の半導体発光装置１００におけるキャリア濃度分布（すなわち、Ｚｎの拡散状態）を示すグラフである。
【００５０】
図１１に示されているように、活性層１３からｐ型クラッド層１５までのキャリア濃度は、第１の実施例である半導体発光装置１０と同様の分布になっている。半導体発光装置１０と異なる部分は、ｐ型電流拡散層１０１内でのキャリア濃度である。第１拡散部１０１ａにおける平均キャリア濃度が約１×１０18ｃｍ-3、第２拡散部１０１ｂにおける平均キャリア濃度が約１．５×１０18ｃｍ-3、第３拡散部１０１ｃにおける平均キャリア濃度が約２×１０18ｃｍ-3、接合部１０１ｄにおける平均キャリア濃度が約１×１０19ｃｍ-3であり、ｐ型電流拡散層１０１における平均キャリア濃度は約３×１０18ｃｍ-3である。すなわち、ｐ型電流拡散層１０１のキャリア濃度は、ｐ型電流拡散層１４の表面からｐ型電流拡散層１４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している。
【００５１】
ｐ型電流拡散層１０１内のＺｎプロファイルを図１１のようにすることで、活性層１３のキャリア濃度を２×１０16ｃｍ-3〜４×１０16ｃｍ-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、膜厚の最も厚い第３拡散部１０１ｃのＺｎの拡散が、ｐ型電流拡散層１０１からｐ型クラッド層１５への拡散量に最も影響している。しかしながら、第３拡散部１０１ｃのＺｎの拡散は、第３拡散部１０１ｃよりもキャリア濃度が低い第２拡散部１０１ｂによって抑制されてしまう。かかる第３拡散部１０１ｃにおけるＺｎ拡散の抑制により、ｐ型電流拡散層１０１からｐ型クラッド層１５へのＺｎの拡散量が抑制され、活性層１３のキャリア濃度を２×１０16ｃｍ-3〜４×１０16ｃｍ-3に調整することが可能になると考えられる。従って、図１１に示されているように、ｐ型電流拡散層１０１におけるキャリア濃度が、ｐ型電流拡散層１４の表面からｐ型電流拡散層１４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１０１ａ、第２拡散部１０１ｂ及び第３拡散部１０１ｃの膜厚及び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１０１ａにおける平均キャリア濃度は１×１０18〜５×１０18ｃｍ-3、第２拡散部１０１ｂにおける平均キャリア濃度は１×１０16ｃｍ-3〜５×１０18ｃｍ-3、第３拡散部１０１ｃにおける平均キャリア濃度は１×１０18ｃｍ-3〜５×１０18ｃｍ-3の範囲内で調整することができる。なお、接合部１０１ｄは、ｐ側電極１８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１０１ｃとｐ側電極１８との間でオーミック接触を得ることができれば、接合部１０１ｄは不要である。
【００５２】
なお、本実施例における半導体発光装置１００の製造方法は、第１の実施例における半導体発光装置１０の製造方法とほぼ同一であるので、その製造方法については省略する。第１の実施例の製造方法と比較して異なる部分は、ｐ型電流拡散層１０１を上述した４層構造になるように、Ｚｎのドープ量を調整することである。
【００５３】
本実施例における半導体発光装置１００について、第１の実施例と同一の実験（通電試験、キャリア濃度と発光効率の関係調査）を実施したが、本実施例における半導体発光装置１００においても第１の実施例と同一の効果が得られた。かかる理由を以下に説明する。本実施例における半導体発光装置１００は、ｐ型電流拡散層１０１内のキャリア濃度がｐ型電流拡散層１０１の表面からｐ型電流拡散層１０１とｐ型クラッド層１５との界面に近づくにつれて減少し、更にｐ型拡散制御層１４の平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3〜１×１０18ｃｍ-3の範囲内に調整されているので、活性層１３の平均キャリア濃度を２×１０16ｃｍ-3〜４×１０16ｃｍ-3にすることが可能になる。従って、ｐ型電流拡散層１０１の膜厚が３μｍより厚い場合においても、半導体発光装置１００は高い発光効率を有することになる。また、半導体発光装置１００にはｐ型拡散制御層が含まれているので、半導体発光装置１００は高い信頼性も有している。以上のことから、本実施例における半導体発光装置１００も高輝度で、且つ高い信頼性を有している。
【実施例３】
【００５４】
第１及び第２の実施例においては、成長用基板として用いたｎ型ＧａＡｓ基板１１を半導体発光装置の構成部材として残していたが、ｎ型ＧａＡｓ基板１１を除去して異なる支持基板に積層構造体を貼り合わせても良い。このような場合の半導体発光装置及びその製造方法を第３の実施例とし、図１２乃至１８を参照しつつ、以下に説明する。
【００５５】
先ず、ホウ素（Ｂ）が添加されたシリコン（Ｓｉ）からなる支持基板１２１が準備される（図１２（ａ））。次に、電子線加熱蒸着法によって支持基板１２１の両面に、金属層として第１の白金（Ｐｔ）層（表面白金族金属層）１２２及び第２のＰｔ層（裏面白金族金属層）１２３が形成される（図１２（ｂ））。
【００５６】
次に、電子線加熱蒸着法によって第２のＰｔ層１２３上に、チタン（Ｔｉ）層１２４が形成される。更に、電子線加熱蒸着法によってＴｉ層１２４上に、第１のＮｉ層１２５が形成される（図１２（ｃ））。
【００５７】
次に、電子線加熱蒸着法によって第１のＮｉ層１２５上にＡｕＳｎ半田層１２６が形成される（図１２（ｄ））。ＡｕＳｎ半田層１２６のＡｕとＳｎとの組成比は、重量比で約８：２、原子数比で約７：３である。本実施例においては、第１のＮｉ層１２５とＡｕＳｎ半田層１２６とから第１の接合金属層が形成されている。本工程の終了により、支持体部１３０の形成が完了する。
【００５８】
次に、成長用基板としてｎ型ＧａＡｓ基板１１が準備される（図１３（ａ））。続いて、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上にＭＯＣＶＤにより、ｎ型クラッド層１２、活性層１３、ｐ型拡散制御層１４、ｐ型クラッド層１５及びｐ型コンタクト層１３１が順次積層され、ｎ型ＧａＡｓ基板１１上に発光動作層１３２が形成される（図１３（ｂ）、図１４）。図１４は、図１３（ｂ）の破線領域３００の拡大図である。ここで、半導体成長層１３２は、第１の実施例の構造（図１参照）と同一であり、第１の実施例と同様の方法でｎ型ＧａＡｓ基板１１上に形成されるので、その説明は省略する。なお、第１の実施例のｐ型クラッド層１５上に形成される層と、本実施例のｐ型クラッド層１５上に形成される層とは名称が異なっているが、両層ともＧａ1-xＩｎxＰ（0≦ｘ＜1）の材料から構成されている。これは、本実施例において、ｐ型クラッド層１５上に形成される層は、電極とのオーミック接触を得るために用いられた層だからである。
【００５９】
次に、スパッタリングにより、半導体成長層１３２上に反射電極層として金−亜鉛（ＡｕＺｎ）層１３３が堆積される（図１３（ｃ））。ＡｕＺｎ層１３３は、半導体成長層１３２において発生した光を光取り出し面側に反射する。これにより、半導体発光素子の光取り出し効率を向上させることができる。
【００６０】
次に、反応性スパッタリングにより、ＡｕＺｎ層１３３上に第１の窒化タンタル（ＴａＮ）層１３４が形成される。続いて、反応性スパッタリングにより、第１のＴａＮ層１３４上にチタン−タングステン（ＴｉＷ）層１３５が形成される。更に、反応性スパッタリングにより、ＴｉＷ層１３５上に第２のＴａＮ層１３６が形成される（図１３（ｄ））。第１のＴａＮ層１３４、ＴｉＷ層１３５及び、第２のＴａＮ層１３６は、後述する接合部材（共晶材料）が拡散によってＡｕＺｎ層１３３に侵入すること防止する
次に、電子線加熱蒸着法によって第２のＴａＮ層１３６上に、第２のＮｉ層１３７が形成される。更に、電子線加熱蒸着法によって第２のＮｉ層１３７上に、Ａｕ層１３８が形成される（図１３（ｅ））。本実施例においては、第２のＮｉ層１３７とＡｕ層１３８とから第２の接合金属層が形成されている。本工程の終了により、発光体部１４０の形成が完了する。
【００６１】
次に、支持体部１３０のＡｕＳｎ半田層１２６と、発光体部１４０のＡｕ層１３８と、が対向した状態で、支持体部１３０及び発光体部１４０が密着される。その後、密着した支持体部１３０及び発光体部１４０が窒素雰囲気下で熱圧着される（図１５）。熱圧着の条件は、例えば、圧力が約１メガパスカル（ＭＰａ）、温度が約３４０℃、圧着時間が約１０分間である。この熱圧着によって、ＡｕＳｎ半田層１２６が溶融し、第２のＮｉ層１３７及びＡｕ層１３８が、溶融しているＡｕＳｎ半田層１２６に溶解する。更に、ＡｕＳｎ半田層１２６のＡｕ及びＳｎ及びＡｕ層１３８のＡｕが、第１のＮｉ層１２５及び第２のＮｉ層１３７に拡散して吸収される。更に、溶融したＡｕＳｎ半田層１２６が固化することにより、ＡｕＳｎＮｉからなる接合層１６１が形成される。これにより支持体部１３０と発光体部１４０とが接合され、接合体１７０が形成される（図１６）。
【００６２】
次に、アンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いたウエットエッチングにより、接合体１７０からｎ型ＧａＡｓ基板１１が除去される。ｎ型ＧａＡｓ基板１１が除去されることにより、半導体成長層１３２の表面（が露出する（図１７）。なお、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の除去は、ドライエッチング、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）、機械的研削など、又はこれらを組み合わせた方法によって行われても良い。
【００６３】
次に、半導体成長層１３２上にレジストが塗布される。塗布されたレジストが所望の電極パターンになるように、パターンニングが施される。パターンニングされたレジストの開口部分に、電子線加熱蒸着法によって金・ゲルマニウム・ ニッケル（ＡｕＧｅＮｉ）が蒸着される。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ＡｕＧｅＮｉが形成される。更に、ＡｕＧｅＮｉ及び接合体１７０に対して、窒素雰囲気下で約４００℃の加熱処理が施される。これによってＡｕＧｅＮｉと半導体成長層１３２との合金化が図られ、半導体成長層１３２と良好なオーミック接合した外部接続電極１８１が形成される。本工程の終了により、半導体発光装置２００が完成する（図１８）。
【００６４】
図１８の破線領域４００の拡大図を図１９に示す。図１９に示されているように、ＡｕＺｎ層１３３上にｐ型コンタクト層１３１、ｐ型クラッド層１５、ｐ型拡散制御層１４、活性層１３及びｎ型クラッド層１２がこの順序で積層されている。
【００６５】
本実施例における製造方法によって製造される半導体発光装置２００について、第１の実施例と同一の実験（通電試験、キャリア濃度と発光効率の関係調査）を実施したが、本実施例における半導体発光装置２００においても第１の実施例と同一の効果が得られた。これは、貼り合わせ工程前におけるｎ型ＧａＡｓ基板１１上に半導体成長層１３２を形成する方法が、第１及び第２の実施例と同一だからである。すなわち、半導体成長層１３２の形成後に、ｎ型ＧａＡｓ基板１１を除去する工程及び新たな支持基板（半導体基板）に貼り合わせる工程を経由しても、高輝度、且つ、高い信頼性を有す半導体発光装置を製造することができる。
【符号の説明】
【００６６】
１０ 半導体発光装置
１１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型クラッド層
１３ 活性層
１４ ｐ型拡散制御層
１５ ｐ型クラッド層
１６ ｐ型電流拡散層
１７ ｎ側電極
１８ ｐ側電極
２１ アンドープ活性層
２２ 積層構造体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光装置の製造方法であって、
成長用基板の上に第１導電型クラッド層、アンドープであって（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦1、0＜ｙ≦1）からなる活性層、平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3乃至１×１０18ｃｍ-3であってＡｌxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ＜1）からなる第２導電型拡散制御層及び第２導電型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第２導電型半導体層を成長し、前記第２導電型拡散制御層から前記活性層に第２導電型不純物を拡散させて前記活性層の平均キャリア濃度を２×１０16ｃｍ-3乃至４×１０16ｃｍ-3に制御する第２導電型半導体層形成工程と、を有することを特徴とする製造方法。
【請求項２】
前記第２導電型半導体層の成長温度は、前記積層構造体の成長温度より３０乃至１００℃高いことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記第２導電型半導体層は、Ｇａ1-xＩｎxＰ（0≦ｘ＜1）からなることを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記第２導電型半導体層の膜厚は３μｍ以下であって前記第２導電型半導体層の平均キャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3乃至５×１０18ｃｍ-3であることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
前記第２導電型半導体層は３μｍを超える膜厚を有し、前記第２導電型半導体層のキャリア濃度が前記第２導電型半導体層の表面から前記第２導電型半導体層と前記第２導電型クラッド層との界面に近づくにつれて減少し、且つ、前記第２導電型半導体層の平均キャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3乃至５×１０18ｃｍ-3であることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
【請求項６】
前記第２導電型半導体層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２乃至５のいずれか１に記載の製造方法。
【請求項７】
半導体基板の上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層の上に形成され、平均キャリア濃度が２×１０16ｃｍ-3乃至４×１０16ｃｍ-3であって（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦1、0＜ｙ≦1）からなる活性層と、
前記活性上の上に形成され、平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3乃至１×１０18ｃｍ-3であってＡｌxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ＜1）からなる第２導電型拡散制御層と、
前記第２導電型拡散制御層の上に形成された第２導電型クラッド層と、
前記第２導電型クラッド層の上に形成されたＧａ1-xＩｎxＰ（0≦ｘ＜1）からなる第２導電型半導体層と、有することを特徴とする半導体発光装置。
【請求項８】
前記活性層、前記第２導電型拡散制御層、前記第２導電型クラッド層及び前記第２導電型半導体層におけるキャリア濃度は、前記第２導電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７に記載の半導体発光装置。
【請求項９】
前記第２導電型半導体層の膜厚は３μｍ以下であって、前記第２導電型半導体層の平均キャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3乃至５×１０18ｃｍ-3であることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光装置。
【請求項１０】
前記第２導電型半導体層は３μｍを超える膜厚を有し、前記第２導電型半導体層のキャリア濃度が前記第２導電型半導体層の表面から前記第２導電型半導体層と前記第２導電型クラッド層との界面に近づくにつれて減少し、且つ、前記第２導電型半導体層の平均キャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3乃至５×１０18ｃｍ-3であることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光装置。
【請求項１】
半導体発光装置の製造方法であって、
成長用基板の上に第１導電型クラッド層、アンドープであって（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦1、0＜ｙ≦1）からなる活性層、平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3乃至１×１０18ｃｍ-3であってＡｌxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ＜1）からなる第２導電型拡散制御層及び第２導電型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第２導電型半導体層を成長し、前記第２導電型拡散制御層から前記活性層に第２導電型不純物を拡散させて前記活性層の平均キャリア濃度を２×１０16ｃｍ-3乃至４×１０16ｃｍ-3に制御する第２導電型半導体層形成工程と、を有することを特徴とする製造方法。
【請求項２】
前記第２導電型半導体層の成長温度は、前記積層構造体の成長温度より３０乃至１００℃高いことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
前記第２導電型半導体層は、Ｇａ1-xＩｎxＰ（0≦ｘ＜1）からなることを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
【請求項４】
前記第２導電型半導体層の膜厚は３μｍ以下であって前記第２導電型半導体層の平均キャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3乃至５×１０18ｃｍ-3であることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
前記第２導電型半導体層は３μｍを超える膜厚を有し、前記第２導電型半導体層のキャリア濃度が前記第２導電型半導体層の表面から前記第２導電型半導体層と前記第２導電型クラッド層との界面に近づくにつれて減少し、且つ、前記第２導電型半導体層の平均キャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3乃至５×１０18ｃｍ-3であることを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
【請求項６】
前記第２導電型半導体層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２乃至５のいずれか１に記載の製造方法。
【請求項７】
半導体基板の上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層の上に形成され、平均キャリア濃度が２×１０16ｃｍ-3乃至４×１０16ｃｍ-3であって（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦1、0＜ｙ≦1）からなる活性層と、
前記活性上の上に形成され、平均キャリア濃度が１×１０17ｃｍ-3乃至１×１０18ｃｍ-3であってＡｌxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ＜1）からなる第２導電型拡散制御層と、
前記第２導電型拡散制御層の上に形成された第２導電型クラッド層と、
前記第２導電型クラッド層の上に形成されたＧａ1-xＩｎxＰ（0≦ｘ＜1）からなる第２導電型半導体層と、有することを特徴とする半導体発光装置。
【請求項８】
前記活性層、前記第２導電型拡散制御層、前記第２導電型クラッド層及び前記第２導電型半導体層におけるキャリア濃度は、前記第２導電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７に記載の半導体発光装置。
【請求項９】
前記第２導電型半導体層の膜厚は３μｍ以下であって、前記第２導電型半導体層の平均キャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3乃至５×１０18ｃｍ-3であることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光装置。
【請求項１０】
前記第２導電型半導体層は３μｍを超える膜厚を有し、前記第２導電型半導体層のキャリア濃度が前記第２導電型半導体層の表面から前記第２導電型半導体層と前記第２導電型クラッド層との界面に近づくにつれて減少し、且つ、前記第２導電型半導体層の平均キャリア濃度が１×１０18ｃｍ-3乃至５×１０18ｃｍ-3であることを特徴とする請求項８に記載の半導体発光装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１０−１９９３８１（Ｐ２０１０−１９９３８１Ａ）
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４３８５９（Ｐ２００９−４３８５９）
【出願日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２６日（２００９．２．２６）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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