半導体積層構造の製造方法
【課題】半導体発光素子のＩ−Ｌ特性のばらつきを低減し、高輝度及び高出力で、歩留まり及び信頼性に優れた半導体発光素子を提供する。
【解決手段】半導体発光素子は、表面の二乗平均粗さが０．８ナノメートル以下のＧａＡｓ基板１１上に、第１導電型ＧａＡｓバッファ層１２、第１導電型クラッド層１３、第１導電型クラッド層上に、単一構造（バルク構造）又は量子井戸を有する構造の活性層１４を形成し、さらに、第２導電型クラッド層を形成したものである。
【解決手段】半導体発光素子は、表面の二乗平均粗さが０．８ナノメートル以下のＧａＡｓ基板１１上に、第１導電型ＧａＡｓバッファ層１２、第１導電型クラッド層１３、第１導電型クラッド層上に、単一構造（バルク構造）又は量子井戸を有する構造の活性層１４を形成し、さらに、第２導電型クラッド層を形成したものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に複数の半導体層を積層した構造を有する半導体積層構造の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、成長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）によって複数の層を積層し、半導体発光素子を形成する方法が知られている。例えば、ＧａＡｓ基板上には、第１のＡｌ（Ｇａ）ＩｎＰクラッド層、活性層、第２のＡｌ（Ｇａ）ＩｎＰクラッド層及び電流拡散層の順に複数の層が積層される。第１及び第２のクラッド層には、例えば、ｐ型ドーパントとしてＺｎ又はＭｇが、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｔｅ又はＳｅが使用されている。活性層は、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＰ若しくはＧａＩｎＰのバルク層又はＡｌ（Ｇａ）ＩｎＰ若しくはＧａＩｎＰを用いた量子井戸層で構成されている。また、活性層のＡｌ組成は、クラッド層のＡｌ組成に対して低く設定されている。電流拡散層は、ＧａＰ又はＡｌＧａＡｓで構成されている。更に、ＧａＡｓ基板の第１の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）及び電流拡散層上には、Ａｕ−Ｚｎなどの適切な電極材料が蒸着されることにより電極が形成されている。
【０００３】
上述したような半導体発光素子を高性能化するには、良質な化合物半導体エピタキシャル膜をＧａＡｓ基板上に成長させる必要がある。良質な化合物半導体エピタキシャル膜をＧａＡｓ基板上に成長させるためには、ＧａＡｓ基板が結晶性の良いバルク結晶から切り出され、最適な研磨及び表面加工処理がＧａＡｓ基板表面に施されていることが重要となる。例えば、ＧａＡｓ基板の転位密度が高い場合又はＧａＡｓ基板上に表面酸化膜などが存在した状態でエピタキシャル成長が行われると、結晶性の良好な膜成長が困難になることが知られている。また、このようなエピタキシャル成長によって良好なエピタキシャル膜質を得られた場合でも、半導体発光素子自体の寿命又は光出力などの素子性能に影響が生じることが知られている。
【０００４】
図１に半導体発光素子の電流密度−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）の一例を示す。図１の横軸は電流密度（Ａ／ｃｍ２：アンペア／平方センチメートル）であり、縦軸は全光束（ｍｌｍ：ミリルーメン）である。一般的な表示用途として利用されている場合の半導体発光素子の駆動電流密度は、約４０Ａ／ｃｍ２（２０ｍＡ（ミリアンペア）駆動）である。図１から判るように、電流密度が４０Ａ／ｃｍ２においては、Ｉ−Ｌ特性が十分な正比例関係にある。このため、このような従来の用途においては、半導体発光素子の使用上の問題は発生していなかった。
【０００５】
しかしながら、近年の半導体発光素子は、単なる表示用途に留まらず、車載用、信号灯、照明及び液晶バックライト等のさまざまな環境での利用に広がりを見せている。これに伴い、半導体発光素子には高輝度化及び高出力化などの性能向上が求められている。半導体発光素子の高輝度化及び高出力化には半導体発光素子への注入電流密度を増大させることが考えられる。しかしながら、図１に示すようなＩ−Ｌ特性を有する従来の半導体発光素子の全光束（すなわち、光出力）は、注入電流密度が１２０Ａ／ｃｍ２以上の領域において低下している。すなわち、従来の半導体発光素子は、従来よりも高い電流密度における使用状態において十分に対応できていなかった。
【０００６】
上述する問題点を解決するために半導体発光素子の構造に様々な工夫が施されてきている。例えば、量子井戸を用いた活性層において、井戸数の最適化を図る方法がある。また、クラッド層などに量子障壁（Quantum Barrier）構造を付加することでキャリアのオーバーフローを抑制する方法がある。特許文献１及び２には、これらの方法が開示されている。
【０００７】
しかしながら、上述した方法では半導体発光素子のＩ−Ｌ特性の改善が不十分であった。具体的には、図２に示すような半導体発光素子ごとのＩ−Ｌ特性のばらつきが発生する問題が生じていた。図２は、構造及び成長ロットが同一の２つの半導体発光素子ごとのＩ−Ｌ特性を示している。図２から判るように、サンプルＡのＩ−Ｌ特性は、電流密度が１２０Ａ／ｃｍ２以上においても全光束（すなわち、光出力）の低下はない。一方、サンプルＢのＩ−Ｌ特性は、電流密度が１２０Ａ／ｃｍ２以上においても光出力の低下はほとんど見られないが、サンプルＡと比較すると電流密度が１２０Ａ／ｃｍ２以上における光出力はほぼ飽和している。このような半導体発光素子ごとのＩ−Ｌ特性のばらつきは、歩留まり及び信頼性の低下という問題につながっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−１８１３６１
【特許文献２】特開平６−１０４５３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、以上の如き事情に鑑みてなされたものであり、半導体発光素子のＩ−Ｌ特性のばらつきを低減し、高輝度及び高出力で、歩留まり及び信頼性に優れた半導体発光素子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】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明の半導体積層構造の製造方法は、表面の二乗平均粗さが０．８ナノメートル以下のＧａＡｓ基板上に第１導電型クラッド層を形成する第１導電型クラッド層工程と、第１導電型クラッド層上に活性層を形成する活性層工程と、活性層上に第２導電型クラッド層を形成する第２導電型クラッド層工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体発光素子によれば、半導体発光素子の成長基板である第１導電型半導体基板の二乗平均粗さが０．８ナノメートル以下であるため、半導体発光素子ごとのＩ−Ｌ特性のばらつきを低減し、歩留まり及び信頼性の向上をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の半導体発光素子のＩ−Ｌ特性を示したグラフである。
【図２】従来の半導体発光素子のＩ−Ｌ特性を示したグラフである。
【図３】本発明の第１の実施例である半導体発光素子の断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例である半導体発光素子におけるＩ−Ｌ特性を示したグラフである。
【図５】本発明の第１の実施例である半導体発光素子における全光束とｎ型ＧａＡｓ基板の表面粗さとの関係を示したグラフである。
【図６】本発明の第１の実施例である半導体発光素子における光出力のばらつきと電流密度との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施例である半導体発光素子におけるｎ型ＧａＡｓ基板と活性層との関係を示したグラフである。
【図８】本発明の第２の実施例である半導体発光素子の各製造工程における断面図である。
【図９】本発明の第２の実施例である半導体発光素子の各製造工程における断面図である。
【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３を参照しつつ、本発明の実施例である半導体発光素子の構造について説明する。
【００１５】
図３は、半導体発光素子１０の断面図である。図３に示されているように、半導体発光素子１０は、成長基板（半導体基板）であるｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面（主面）上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層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。これらの各層は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）により形成される。なお、成長条件は、例えば、成長温度が約摂氏７００度、成長圧力が約１０ｋＰａ（キロパスカル）である。有機金属（ＭＯ）ガス用の原料としては、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。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。更に、半導体発光素子１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１のｎ型ＧａＡｓバッファ層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。
【００１６】
ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２は、シリコン等の不純物を添加しつつＧａＡｓをｎ型ＧａＡｓ基板１１上に成長させた下地としての層である。また、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２の膜厚は、例えば、約０．２μｍ（マイクロメートル）である。
【００１７】
ｎ型クラッド層１３は、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２上に、シリコンの濃度が約３．０×１０１７ｃｍ−３となるようにシリコンを添加しつつ、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（0≦ｘ≦１、0＜ｙ≦１）を成長させることにより形成される。例えば、ｎ型クラッド層１３は、（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。なお、ｎ型クラッド層１３の膜厚は、例えば、約１．０μｍである。
【００１８】
活性層１４は、例えば、ｎ型クラッド層１３上に（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（0≦ｘ≦１、0＜ｙ＜１）のアンドープ層を成長させることによって形成される。ここで、ｘ及びｙの値は、活性層１４のバンドギャップがｎ型クラッド層１３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。例えば、活性層１４は、井戸層が（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.5Ｉｎ0.5Ｐ又は（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、障壁層が（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐである量子井戸を有する構造である。なお、活性層１４は、単一構造（バルク構造）であっても良い。なお、活性層１４の膜厚は、例えば約０．２〜０．５μｍである。
【００１９】
また、活性層１４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。例えば、ＩｎＧａＰ系の活性層としては、Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐがある。
【００２０】
ｐ型クラッド層１５は、活性層１４上に、亜鉛（Ｚｎ）の濃度が約５．０×１０１７ｃｍ−３となるように亜鉛を添加しつつ、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（0≦ｘ≦１、0＜ｙ≦１）を成長させることによって形成される。例えば、ｐ型クラッド層１５は、（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。なお、ｐ型クラッド層１５の膜厚は、例えば約１．０μｍである。
【００２１】
また、転位のない高出力な半導体発光素子を得るという観点からは、活性層やクラッド層には、ＧａＡｓ基板にほぼ格子整合する材料を選択する、あるいは、格子不整合な材料を臨界膜厚以下の厚さに形成する（不整合組成の歪量子井戸構造など）、組成や膜厚を適宜選択することが好ましい。
【００２２】
ｐ型電流拡散層１６は、ｐ型クラッド層１５上に、亜鉛を添加しつつＧａＩｎＰ又はＧａＰを成長させることによって形成される。ｎ側電極１７は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面にＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉを真空蒸着することによって形成されても良い。また、ｐ側電極１８は、ｐ型電流拡散層１６上にＡｕＺｎ（金錫の合金）を真空蒸着することによって形成される。
【００２３】
上述した半導体発光素子１０の構成は１例にすぎず、その構成は半導体発光素子１０の特性に応じて適宜変更することが可能である。例えば、上述したメチル系の材料をエチル系の材料に変更しても良い。また、不純物ガスとして用いられるシラン（ＳｉＨ４）をセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）に変更し、ｎ型ＧａＡｓバッファ層及びｎ型クラッド層１２にセレン（Ｓｅ）を添加しても良い。また、ｐ型クラッド層１５とｐ型電流拡散層１６との間にｐ型中間層を設けても良い。このｐ型中間層は、例えば、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。成長基板は、４度（４°）のオフ角のＧａＡｓ基板を用いたが、他のオフ角のものを用いても良い。また、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長が可能であれば、ＭＯＣＶＤ以外の成長方法（例えば、分子線エピタキシー法）を用いて、膜成長をおこなっても良い。また、上述したｎ型とｐ型とを入れ替えた構造であっても良い。
【００２４】
次に、図４乃至図６を参照しつつ、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さの違いによって半導体発光素子１０の全光束（すなわち、光出力）が変化することを説明するとともに、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の最適な表面粗さについて詳細に説明する。
【００２５】
従来から成長基板として用いられるＧａＡｓ基板の表面状態は半導体発光素子の特性に影響があることが知られていたが、ＧａＡｓ基板の表面処理や研磨状態といったＸ線などで評価されるマクロレベル（例えば、二乗平均粗さ（Ｒｍｓ：Root Mean Square）が数ナノメール〜数十ナノメートル）の欠陥に注意が払われていた。この理由としては、半導体発光素子の使用レベルは駆動電流密度が４０Ａ／ｃｍ２以下であり、かかる使用レベルにおける半導体発光素子の電流密度−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）は良好であったためである。すなわち、半導体発光素子のＩ−Ｌ特性を良好にするためには、マクロレベルの欠陥が無いと評価されたＧａＡｓ基板を成長基板として使用すれば十分であると考えられていた。しかしながら、マクロレベルで表面状態が良好であると判断されたＧａＡｓ基板（例えば、微分干渉顕微鏡などで鏡面（ミラー）と評価されるもの）であっても、ナノレベル（Ｒｍｓ＜１ｎｍ（ナノメートル））で評価するとその表面には凹凸が確認される。ナノレベルでの評価方法としては、走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope）による表面粗さの計測がある。以下において、ナノレベルで表面粗さが異なるＧａＡｓ基板を成長基板として使用した半導体発光素子ごとの光出力の測定結果に基づき、ＧａＡｓ基板のナノレベルの表面粗さが光出力に与える影響を説明しつつ、ＧａＡｓ基板のナノレベルの表面粗さの評価（管理）の有効性について説明する。
【００２６】
上述した有効性を説明するための評価内容として、ナノレベルで表面粗さが異なる複数のｎ型ＧａＡｓ基板１１を準備し、各ｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用して半導体発光素子１０を製造し、製造された半導体発光素子１０のＩ−Ｌ特性の評価を行った。なお、研磨粉の粒径を変えてｎ型ＧａＡｓ基板１１に研磨を施すことにより、所定の表面粗さに調整されたｎ型ＧａＡｓ基板１１を準備することもできる。本実施例においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面における１０μｍ×１０μｍの領域で、Ｒｍｓ＝０．２２、０．３５、０．５４、０．７２、０．８２、０．９３ｎｍの計６種類のｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した。また、半導体発光素子１０のＩ−Ｌ特性の評価として、半導体発光素子１０への注入電流密度を２０、４０、９０、１２５、１６０、１８０、２００Ａ／ｃｍ２に設定した。なお、上記６種類の表面粗さのｎ型ＧａＡｓ基板１１を用いて半導体発光素子を製造し、各ｎ型ＧａＡｓ基板１１について、それぞれ４０個の半導体発光素子１０をサンプルとしてＩ−Ｌ特性の評価を行った。
【００２７】
図４は、各表面粗さのｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０ごとに、電流密度と半導体発光素子１０の全光束との関係を示したグラフである。図４の横軸は電流密度（Ａ／ｃｍ２：アンペア／平方センチメートル）であり、縦軸は全光束（ｍｌｍ：ミリルーメン）である。なお、図４は、サンプル数４０個（ｎ＝４０）についての全光束の平均値をプロットしたものである。
【００２８】
図４に示されているように、半導体発光素子への従来の注入電流密度である４０Ａ／ｃｍ２まで（すなわち、２０ｍＡ程度の電流注入まで）は、半導体発光素子１０の全光束（すなわち、光出力）のばらつきはほとんどない。しかしながら、電流密度が増加すると、半導体発光素子１０の光出力にばらつきが見られる。この光出力のばらつきは、電流密度の増加に従って大きくなっている。すなわち、電流密度が４０Ａ／ｃｍ２まではｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さに起因するようなＩ−Ｌ特性のばらつきは無いことがわかる。
【００２９】
また、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さが小さいほど、１００Ａ／ｃｍ２以上の電流密度領域（以下、高電流密度領域という）において光出力の増加率が高くなっている。具体的には、表面粗さがＲｍｓ＝０．２２ｎｍ、０．３５ｎｍのｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０の光出力は、１５０Ａ／ｃｍ２以上の電流密度領域において電流密度の増加に伴って増加するか、又はほぼ一定値を保っている（すなわち、飽和している）。一方、表面粗さがＲｍｓ＝０．９３ｎｍ、０．８２ｎｍのｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０の光出力は、１５０Ａ／ｃｍ２以上の電流密度領域において電流密度の増加に伴って減少する。
【００３０】
従って、高電流密度領域においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１１のナノレベルの表面粗さの違いが半導体発光素子１０の全光束に影響していることがわかる。このことから、高電流密度領域における半導体発光素子１０の使用においては、従来のような４０Ａ／ｃｍ２程度の電流密度による使用では影響しなかったｎ型ＧａＡｓ基板１１の転位や微小な結晶歪み（ナノレベルの表面状態）が、半導体発光素子１０の高密度領域における光出力の特性劣化につながっていることがわかる。
【００３１】
図５は、各ｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０ごとに、電流密度を変化させた場合における半導体発光素子１０の全光束と、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さと、の関係を示したグラフである。図５の横軸は二乗平均粗さ（Ｒｍｓ）であり、縦軸は全光束（ｍｌｍ：ミリルーメン）である。なお、図５は、図４と同様に、サンプル数４０個（ｎ＝４０）についての全光束の平均値をプロットしたものである。
【００３２】
図５に示されているように、電流密度が２０及び４０Ａ／ｃｍ２の場合においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さに関係なく、各半導体発光素子１０の全光束はほぼ一定である。一方、電流密度が９０Ａ／ｃｍ２以上の場合においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さに依存して全光束の値が変動することがわかる。具体的には、Ｒｍｓ＞０．８ｎｍの範囲では、各半導体発光素子１０の全光束は減少している。一方、Ｒｍｓ＜０．４ｎｍの範囲では、各半導体発光素子１０の全光束は増加している。これらに対して、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さが０．４ｎｍ≦Ｒｍｓ≦０．８ｎｍの範囲では、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さに依存した全光束の変動は見られない。
【００３３】
従って、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さを小さくすれば、高電流密度領域でも半導体発光素子１０の全光束は増加することになり、Ｉ−Ｌ特性の改善を行うことができる。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さを０．４ｎｍ≦Ｒｍｓ≦０．８ｎｍの範囲にすることによって、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さに依存しない一定の光出力を得ることができる。これにより、半導体発光素子１０ごとの特性のばらつきを抑えることができるため、一定の品質の半導体発光素子を提供することが可能となる。
【００３４】
図６は、各ｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０ごとの光出力のばらつきと電流密度との関係を示すグラフである。図６の横軸は電流密度（Ａ／ｃｍ２）であり、縦軸は表面粗さの異なるｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０ごとの全光束の標準偏差σである。なお、図６の従来例は、ｎ型ＧａＡｓ基板の表面粗さがナノレベルでばらついている半導体発光素子の全光束の標準偏差σを示している。なお、図６に示された各プロットは、図４と同様に、サンプル数４０個（ｎ＝４０）の平均値のプロットである。
【００３５】
図６に示されているように、従来例の標準偏差σは、電流密度が上昇するにつれて正比例的に増加している。すなわち、ｎ型ＧａＡｓ基板の表面粗さがナノレベルでばらついている半導体発光素子のＩ−Ｌ特性は、高電流密度領域においてばらついている。従って、表面粗さがナノレベルでばらついているｎ型ＧａＡｓ基板を使用する場合には、高電流密度領域において良好なＩ−Ｌ特性を有する半導体発光素子を歩留まり良く製造することが困難であり、十分な信頼性を有する半導体発光素子を得ることができないことがわかる。
【００３６】
また、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さがＲｍｓ＝０．８２、０．９３ｎｍの場合（すなわち、Ｒｍｓ＞０．８ｎｍ）には、従来例と比較すると各電流密度でのばらつきは小さくなっている。しかしながら、表面粗さがＲｍｓ＝０．８２、０．９３ｎｍのｎ型ＧａＡｓ基板１１が使用された半導体発光素子１０の標準偏差σは、電流密度が上昇するにつれて正比例的に増加している。従って、表面粗さがＲｍｓ＝０．８２、０．９３ｎｍのｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用する場合には、高電流密度領域において良好なＩ−Ｌ特性を有する半導体発光素子１０を歩留まり良く製造することが困難であり、十分な信頼性を有する半導体発光素子１０を得ることができないことがわかる。
【００３７】
一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さがＲｍｓ＝０．２２、０．３５、０．５４、０．７２ｎｍの場合（すなわち、Ｒｍｓ≦０．８ｎｍ）には、電流密度の増加と伴に、そのばらつきも大きくなっている。しかしながら、Ｒｍｓ＞０．８ｎｍのｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０と比較すると、そのばらつきは大幅に減少している。特に、電流密度が１００Ａ／ｃｍ２以上において、標準偏差σはほぼ飽和している。すなわち、表面粗さがＲｍｓ≦０．８ｎｍのｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用する場合には、高電流密度領域において良好なＩ−Ｌ特性を有する半導体発光素子１０を歩留まり良く製造することができ、十分な信頼性を有する半導体発光素子１０を得ることができる。
【００３８】
図４乃至図６を参照しつつ説明した内容から、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さの範囲をナノレベルで設定することにより、高電流密度領域においてもＩ−Ｌ特性のばらつきが少ない半導体発光素子１０を提供することができる。具体的には、図６によって示された半導体発光素子１０の全光束のばらつきから、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さがＲｍｓ≦０．８に設定されることが必要である。これにより、同一の表面粗さのｎ型ＧａＡｓ基板１１を有する半導体発光素子１０において、高電流密度領域における全光束のばらつきが低減される。更に、図５によって示されたｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さと全光束との関係から、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さが０．４≦Ｒｍｓ≦０．８の範囲内に設定されることが好ましい。これにより、半導体発光素子１０の全光束がｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さに依存して変化することが無くなり、高電流密度領域においても良好なＩ−Ｌ特性を有する半導体発光素子１０を歩留まり良く製造することができる。
【００３９】
図７は、表面粗さがＲｍｓ＝０．２２、０．３５、０．５４、０．７２、０．８２、０．９３ｎｍのｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０において、各ｎ型ＧａＡｓ基板１１と各活性層１４との関係を示したグラフである。図７の横軸はｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さＲｍｓ（ｎｍ）であり、縦軸は活性層１４の表面粗さＲｍｓ（ｎｍ）である。
【００４０】
図７に示されているように、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さがＲｍｓ＝０．２２、０．３５、０．５４、０．７２ｎｍ（すなわち、Ｒｍｓ≦０．８）の場合おいては、活性層１４の表面粗さはほぼ一定であり、その値も２．０ｎｍ以下と小さい。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さがＲｍｓ＝０．８２、０．９３ｎｍ（すなわち、Ｒｍｓ＞０．８）の場合においては、活性層１４の表面粗さは正比例的に増加し、その値も３．０ｎｍ以上と大きい。
【００４１】
従って、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さがＲｍｓ≦０．８では、活性層１４の表面粗さを一定にすることができることで、活性層１４の表面粗さに起因したＩ−Ｌ特性のばらつきを抑えることが可能になる。このことは、表面粗さがＲｍｓ≦０．８のｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０の高電流密度領域における全光束のばらつき（標準偏差σ）が、表面粗さがＲｍｓ＞０．８のｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０の高電流密度領域における全光束のばらつきよりも小さいこと（すなわち、図６で示されている結果）に対応している。従って、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さが活性層１４の表面粗さに起因し、かかる活性層１４の表面粗さが半導体発光素子１０のＩ−Ｌ特性のばらつきに影響していることがわかる。
【００４２】
以上、詳細に説明したように、ＧａＡｓ基板のナノレベルの表面粗さと高電流密度領域における半導体発光素子の発光特性との関係を調べ、半導体発光素子の高輝度化、高出力化、並びに発光特性のばらつき低減のための基板表面粗さの条件を見出した。本発明の半導体発光素子によれば、半導体発光素子の成長基板であるｎ型ＧａＡｓ基板の二乗平均粗さが０．８ナノメートル以下であるため、半導体発光素子のＩ−Ｌ特性のばらつきを低減し、歩留まり及び信頼性の向上をはかることができる。
【実施例２】
【００４３】
以上に説明した第１の実施例の半導体発光素子１０は、成長基板として用いたｎ型ＧａＡｓ基板１１を永久基板として有しているが、本発明の半導体発光素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板が最終的に除去された構造であっても良い。
【００４４】
以下に、図８を参照しつつ、ｎ型ＧａＡｓ基板を有さない半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００４５】
先ず、表面の二乗平均粗さが０．８ナノメートル以下のｎ型ＧａＡｓ基板８１が成長基板として準備される（図８（ａ））。なお、ｎ型ＧａＡｓ基板８１の表面の二乗平均粗さが０．４ナノメートル以上０．８ナノメートル以下であることがより好ましい。
【００４６】
次に、ＭＯＣＶＤを用いてｎ型ＧａＡｓ基板８１上にｎ型クラッド層８２、活性層８３及びｐ型クラッド層８４が形成される（図８（ｂ））。これによって、ｎ型ＧａＡｓ基板８１、ｎ型クラッド層８２、活性層８３及びｐ型クラッド層８４からなる半導体積層構造が形成される。なお、成長条件は、例えば、成長温度が約摂氏７００度、成長圧力が約１０ｋＰａ（キロパスカル）である。有機金属（ＭＯ）ガス用の原料としては、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。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。なお、第１の実施例のように、半導体積層構造には、ｎ型ＧａＡｓ基板８１とｎ型クラッド層８２との間にｎ型ＧａＡｓバッファ層が形成されても良く、ｐ型クラッド層８４上に電流拡散層が形成されても良い。
【００４７】
次に、ｐ型クラッド層８４上にスパッタリングによってｐ型電極８５が形成される（図８（ｃ））。なお、ｐ型クラッド層８４上へ絶縁性反射層を部分的に形成し、ｐ型電極８５がｐ型クラッド層８４上へ部分的に形成される構成としても良い。その後、ｐ型電極８５側に別途用意した支持体８６が接合層８７を介して貼り合わされる。（図８（ｄ））。この際、例えば、支持体８６は、ホウ素（Ｂ）がドープされ、且つシリコン（Ｓｉ）からなる導電性支持基板と、当該導電性支持基板の両面に形成された各種金属層と、から構成されている。また、ｐ型電極８５と支持体８６との貼り合わせは、ｐ型電極８５上と支持体８６上との少なくともいずれか一方に形成されＡｕＳｎなどの共晶合金からなる接合層８７を介して行われる。
【００４８】
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って、ｎ型ＧａＡｓ基板８１が除去される（図９（ａ））。ｎ型ＧａＡｓ基板を除去して表出したｎ型クラッド層８２上にスパッタリングによってｎ型電極８８が、形成される（図９（ｂ））。このような製造工程によって形成された半導体発光素子を本発明の第２の実施例の半導体発光素子８０とすることができる。
【００４９】
つまり、表面の二乗平均粗さが０．８ナノメートル以下のＧａＡｓ基板を成長基板として用いて成長させた、第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層を含む半導体積層構造を有する半導体発光素子であれば、高電流密度領域においても良好な電気光学特性を得ることができる。そして、表面の二乗平均粗さが０．４ナノメートル以上０．８ナノメートル以下のＧａＡｓ基板を成長基板として用いて成長させた、第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層を含む半導体積層構造を有する半導体発光素子であれば、高電流密度領域においても良好でばらつきの少ない電気光学特性を得ることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 半導体発光素子
１１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１３ ｎ型クラッド層
１４ 活性層
１５ ｐ型クラッド層
１６ ｐ型電流拡散層
１７ ｎ側電極
１８ ｐ型電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に複数の半導体層を積層した構造を有する半導体積層構造の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、成長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）によって複数の層を積層し、半導体発光素子を形成する方法が知られている。例えば、ＧａＡｓ基板上には、第１のＡｌ（Ｇａ）ＩｎＰクラッド層、活性層、第２のＡｌ（Ｇａ）ＩｎＰクラッド層及び電流拡散層の順に複数の層が積層される。第１及び第２のクラッド層には、例えば、ｐ型ドーパントとしてＺｎ又はＭｇが、ｎ型ドーパントとしてＳｉ、Ｔｅ又はＳｅが使用されている。活性層は、Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＰ若しくはＧａＩｎＰのバルク層又はＡｌ（Ｇａ）ＩｎＰ若しくはＧａＩｎＰを用いた量子井戸層で構成されている。また、活性層のＡｌ組成は、クラッド層のＡｌ組成に対して低く設定されている。電流拡散層は、ＧａＰ又はＡｌＧａＡｓで構成されている。更に、ＧａＡｓ基板の第１の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）及び電流拡散層上には、Ａｕ−Ｚｎなどの適切な電極材料が蒸着されることにより電極が形成されている。
【０００３】
上述したような半導体発光素子を高性能化するには、良質な化合物半導体エピタキシャル膜をＧａＡｓ基板上に成長させる必要がある。良質な化合物半導体エピタキシャル膜をＧａＡｓ基板上に成長させるためには、ＧａＡｓ基板が結晶性の良いバルク結晶から切り出され、最適な研磨及び表面加工処理がＧａＡｓ基板表面に施されていることが重要となる。例えば、ＧａＡｓ基板の転位密度が高い場合又はＧａＡｓ基板上に表面酸化膜などが存在した状態でエピタキシャル成長が行われると、結晶性の良好な膜成長が困難になることが知られている。また、このようなエピタキシャル成長によって良好なエピタキシャル膜質を得られた場合でも、半導体発光素子自体の寿命又は光出力などの素子性能に影響が生じることが知られている。
【０００４】
図１に半導体発光素子の電流密度−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）の一例を示す。図１の横軸は電流密度（Ａ／ｃｍ２：アンペア／平方センチメートル）であり、縦軸は全光束（ｍｌｍ：ミリルーメン）である。一般的な表示用途として利用されている場合の半導体発光素子の駆動電流密度は、約４０Ａ／ｃｍ２（２０ｍＡ（ミリアンペア）駆動）である。図１から判るように、電流密度が４０Ａ／ｃｍ２においては、Ｉ−Ｌ特性が十分な正比例関係にある。このため、このような従来の用途においては、半導体発光素子の使用上の問題は発生していなかった。
【０００５】
しかしながら、近年の半導体発光素子は、単なる表示用途に留まらず、車載用、信号灯、照明及び液晶バックライト等のさまざまな環境での利用に広がりを見せている。これに伴い、半導体発光素子には高輝度化及び高出力化などの性能向上が求められている。半導体発光素子の高輝度化及び高出力化には半導体発光素子への注入電流密度を増大させることが考えられる。しかしながら、図１に示すようなＩ−Ｌ特性を有する従来の半導体発光素子の全光束（すなわち、光出力）は、注入電流密度が１２０Ａ／ｃｍ２以上の領域において低下している。すなわち、従来の半導体発光素子は、従来よりも高い電流密度における使用状態において十分に対応できていなかった。
【０００６】
上述する問題点を解決するために半導体発光素子の構造に様々な工夫が施されてきている。例えば、量子井戸を用いた活性層において、井戸数の最適化を図る方法がある。また、クラッド層などに量子障壁（Quantum Barrier）構造を付加することでキャリアのオーバーフローを抑制する方法がある。特許文献１及び２には、これらの方法が開示されている。
【０００７】
しかしながら、上述した方法では半導体発光素子のＩ−Ｌ特性の改善が不十分であった。具体的には、図２に示すような半導体発光素子ごとのＩ−Ｌ特性のばらつきが発生する問題が生じていた。図２は、構造及び成長ロットが同一の２つの半導体発光素子ごとのＩ−Ｌ特性を示している。図２から判るように、サンプルＡのＩ−Ｌ特性は、電流密度が１２０Ａ／ｃｍ２以上においても全光束（すなわち、光出力）の低下はない。一方、サンプルＢのＩ−Ｌ特性は、電流密度が１２０Ａ／ｃｍ２以上においても光出力の低下はほとんど見られないが、サンプルＡと比較すると電流密度が１２０Ａ／ｃｍ２以上における光出力はほぼ飽和している。このような半導体発光素子ごとのＩ−Ｌ特性のばらつきは、歩留まり及び信頼性の低下という問題につながっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平６−１８１３６１
【特許文献２】特開平６−１０４５３４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、以上の如き事情に鑑みてなされたものであり、半導体発光素子のＩ−Ｌ特性のばらつきを低減し、高輝度及び高出力で、歩留まり及び信頼性に優れた半導体発光素子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】
【００１０】
上述した課題を解決するために、本発明の半導体積層構造の製造方法は、表面の二乗平均粗さが０．８ナノメートル以下のＧａＡｓ基板上に第１導電型クラッド層を形成する第１導電型クラッド層工程と、第１導電型クラッド層上に活性層を形成する活性層工程と、活性層上に第２導電型クラッド層を形成する第２導電型クラッド層工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体発光素子によれば、半導体発光素子の成長基板である第１導電型半導体基板の二乗平均粗さが０．８ナノメートル以下であるため、半導体発光素子ごとのＩ−Ｌ特性のばらつきを低減し、歩留まり及び信頼性の向上をはかることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】従来の半導体発光素子のＩ−Ｌ特性を示したグラフである。
【図２】従来の半導体発光素子のＩ−Ｌ特性を示したグラフである。
【図３】本発明の第１の実施例である半導体発光素子の断面図である。
【図４】本発明の第１の実施例である半導体発光素子におけるＩ−Ｌ特性を示したグラフである。
【図５】本発明の第１の実施例である半導体発光素子における全光束とｎ型ＧａＡｓ基板の表面粗さとの関係を示したグラフである。
【図６】本発明の第１の実施例である半導体発光素子における光出力のばらつきと電流密度との関係を示すグラフである。
【図７】本発明の第１の実施例である半導体発光素子におけるｎ型ＧａＡｓ基板と活性層との関係を示したグラフである。
【図８】本発明の第２の実施例である半導体発光素子の各製造工程における断面図である。
【図９】本発明の第２の実施例である半導体発光素子の各製造工程における断面図である。
【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３を参照しつつ、本発明の実施例である半導体発光素子の構造について説明する。
【００１５】
図３は、半導体発光素子１０の断面図である。図３に示されているように、半導体発光素子１０は、成長基板（半導体基板）であるｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面（主面）上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層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。これらの各層は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）により形成される。なお、成長条件は、例えば、成長温度が約摂氏７００度、成長圧力が約１０ｋＰａ（キロパスカル）である。有機金属（ＭＯ）ガス用の原料としては、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。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。更に、半導体発光素子１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１のｎ型ＧａＡｓバッファ層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。
【００１６】
ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２は、シリコン等の不純物を添加しつつＧａＡｓをｎ型ＧａＡｓ基板１１上に成長させた下地としての層である。また、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２の膜厚は、例えば、約０．２μｍ（マイクロメートル）である。
【００１７】
ｎ型クラッド層１３は、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２上に、シリコンの濃度が約３．０×１０１７ｃｍ−３となるようにシリコンを添加しつつ、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（0≦ｘ≦１、0＜ｙ≦１）を成長させることにより形成される。例えば、ｎ型クラッド層１３は、（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。なお、ｎ型クラッド層１３の膜厚は、例えば、約１．０μｍである。
【００１８】
活性層１４は、例えば、ｎ型クラッド層１３上に（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（0≦ｘ≦１、0＜ｙ＜１）のアンドープ層を成長させることによって形成される。ここで、ｘ及びｙの値は、活性層１４のバンドギャップがｎ型クラッド層１３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。例えば、活性層１４は、井戸層が（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.5Ｉｎ0.5Ｐ又は（Ａｌ0.1Ｇａ0.9）0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、障壁層が（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐである量子井戸を有する構造である。なお、活性層１４は、単一構造（バルク構造）であっても良い。なお、活性層１４の膜厚は、例えば約０．２〜０．５μｍである。
【００１９】
また、活性層１４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。例えば、ＩｎＧａＰ系の活性層としては、Ｉｎ0.5Ｇａ0.5Ｐがある。
【００２０】
ｐ型クラッド層１５は、活性層１４上に、亜鉛（Ｚｎ）の濃度が約５．０×１０１７ｃｍ−３となるように亜鉛を添加しつつ、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（0≦ｘ≦１、0＜ｙ≦１）を成長させることによって形成される。例えば、ｐ型クラッド層１５は、（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。なお、ｐ型クラッド層１５の膜厚は、例えば約１．０μｍである。
【００２１】
また、転位のない高出力な半導体発光素子を得るという観点からは、活性層やクラッド層には、ＧａＡｓ基板にほぼ格子整合する材料を選択する、あるいは、格子不整合な材料を臨界膜厚以下の厚さに形成する（不整合組成の歪量子井戸構造など）、組成や膜厚を適宜選択することが好ましい。
【００２２】
ｐ型電流拡散層１６は、ｐ型クラッド層１５上に、亜鉛を添加しつつＧａＩｎＰ又はＧａＰを成長させることによって形成される。ｎ側電極１７は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面にＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉを真空蒸着することによって形成されても良い。また、ｐ側電極１８は、ｐ型電流拡散層１６上にＡｕＺｎ（金錫の合金）を真空蒸着することによって形成される。
【００２３】
上述した半導体発光素子１０の構成は１例にすぎず、その構成は半導体発光素子１０の特性に応じて適宜変更することが可能である。例えば、上述したメチル系の材料をエチル系の材料に変更しても良い。また、不純物ガスとして用いられるシラン（ＳｉＨ４）をセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）に変更し、ｎ型ＧａＡｓバッファ層及びｎ型クラッド層１２にセレン（Ｓｅ）を添加しても良い。また、ｐ型クラッド層１５とｐ型電流拡散層１６との間にｐ型中間層を設けても良い。このｐ型中間層は、例えば、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。成長基板は、４度（４°）のオフ角のＧａＡｓ基板を用いたが、他のオフ角のものを用いても良い。また、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長が可能であれば、ＭＯＣＶＤ以外の成長方法（例えば、分子線エピタキシー法）を用いて、膜成長をおこなっても良い。また、上述したｎ型とｐ型とを入れ替えた構造であっても良い。
【００２４】
次に、図４乃至図６を参照しつつ、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さの違いによって半導体発光素子１０の全光束（すなわち、光出力）が変化することを説明するとともに、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の最適な表面粗さについて詳細に説明する。
【００２５】
従来から成長基板として用いられるＧａＡｓ基板の表面状態は半導体発光素子の特性に影響があることが知られていたが、ＧａＡｓ基板の表面処理や研磨状態といったＸ線などで評価されるマクロレベル（例えば、二乗平均粗さ（Ｒｍｓ：Root Mean Square）が数ナノメール〜数十ナノメートル）の欠陥に注意が払われていた。この理由としては、半導体発光素子の使用レベルは駆動電流密度が４０Ａ／ｃｍ２以下であり、かかる使用レベルにおける半導体発光素子の電流密度−光出力特性（Ｉ−Ｌ特性）は良好であったためである。すなわち、半導体発光素子のＩ−Ｌ特性を良好にするためには、マクロレベルの欠陥が無いと評価されたＧａＡｓ基板を成長基板として使用すれば十分であると考えられていた。しかしながら、マクロレベルで表面状態が良好であると判断されたＧａＡｓ基板（例えば、微分干渉顕微鏡などで鏡面（ミラー）と評価されるもの）であっても、ナノレベル（Ｒｍｓ＜１ｎｍ（ナノメートル））で評価するとその表面には凹凸が確認される。ナノレベルでの評価方法としては、走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope）による表面粗さの計測がある。以下において、ナノレベルで表面粗さが異なるＧａＡｓ基板を成長基板として使用した半導体発光素子ごとの光出力の測定結果に基づき、ＧａＡｓ基板のナノレベルの表面粗さが光出力に与える影響を説明しつつ、ＧａＡｓ基板のナノレベルの表面粗さの評価（管理）の有効性について説明する。
【００２６】
上述した有効性を説明するための評価内容として、ナノレベルで表面粗さが異なる複数のｎ型ＧａＡｓ基板１１を準備し、各ｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用して半導体発光素子１０を製造し、製造された半導体発光素子１０のＩ−Ｌ特性の評価を行った。なお、研磨粉の粒径を変えてｎ型ＧａＡｓ基板１１に研磨を施すことにより、所定の表面粗さに調整されたｎ型ＧａＡｓ基板１１を準備することもできる。本実施例においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面における１０μｍ×１０μｍの領域で、Ｒｍｓ＝０．２２、０．３５、０．５４、０．７２、０．８２、０．９３ｎｍの計６種類のｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した。また、半導体発光素子１０のＩ−Ｌ特性の評価として、半導体発光素子１０への注入電流密度を２０、４０、９０、１２５、１６０、１８０、２００Ａ／ｃｍ２に設定した。なお、上記６種類の表面粗さのｎ型ＧａＡｓ基板１１を用いて半導体発光素子を製造し、各ｎ型ＧａＡｓ基板１１について、それぞれ４０個の半導体発光素子１０をサンプルとしてＩ−Ｌ特性の評価を行った。
【００２７】
図４は、各表面粗さのｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０ごとに、電流密度と半導体発光素子１０の全光束との関係を示したグラフである。図４の横軸は電流密度（Ａ／ｃｍ２：アンペア／平方センチメートル）であり、縦軸は全光束（ｍｌｍ：ミリルーメン）である。なお、図４は、サンプル数４０個（ｎ＝４０）についての全光束の平均値をプロットしたものである。
【００２８】
図４に示されているように、半導体発光素子への従来の注入電流密度である４０Ａ／ｃｍ２まで（すなわち、２０ｍＡ程度の電流注入まで）は、半導体発光素子１０の全光束（すなわち、光出力）のばらつきはほとんどない。しかしながら、電流密度が増加すると、半導体発光素子１０の光出力にばらつきが見られる。この光出力のばらつきは、電流密度の増加に従って大きくなっている。すなわち、電流密度が４０Ａ／ｃｍ２まではｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さに起因するようなＩ−Ｌ特性のばらつきは無いことがわかる。
【００２９】
また、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さが小さいほど、１００Ａ／ｃｍ２以上の電流密度領域（以下、高電流密度領域という）において光出力の増加率が高くなっている。具体的には、表面粗さがＲｍｓ＝０．２２ｎｍ、０．３５ｎｍのｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０の光出力は、１５０Ａ／ｃｍ２以上の電流密度領域において電流密度の増加に伴って増加するか、又はほぼ一定値を保っている（すなわち、飽和している）。一方、表面粗さがＲｍｓ＝０．９３ｎｍ、０．８２ｎｍのｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０の光出力は、１５０Ａ／ｃｍ２以上の電流密度領域において電流密度の増加に伴って減少する。
【００３０】
従って、高電流密度領域においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１１のナノレベルの表面粗さの違いが半導体発光素子１０の全光束に影響していることがわかる。このことから、高電流密度領域における半導体発光素子１０の使用においては、従来のような４０Ａ／ｃｍ２程度の電流密度による使用では影響しなかったｎ型ＧａＡｓ基板１１の転位や微小な結晶歪み（ナノレベルの表面状態）が、半導体発光素子１０の高密度領域における光出力の特性劣化につながっていることがわかる。
【００３１】
図５は、各ｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０ごとに、電流密度を変化させた場合における半導体発光素子１０の全光束と、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さと、の関係を示したグラフである。図５の横軸は二乗平均粗さ（Ｒｍｓ）であり、縦軸は全光束（ｍｌｍ：ミリルーメン）である。なお、図５は、図４と同様に、サンプル数４０個（ｎ＝４０）についての全光束の平均値をプロットしたものである。
【００３２】
図５に示されているように、電流密度が２０及び４０Ａ／ｃｍ２の場合においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さに関係なく、各半導体発光素子１０の全光束はほぼ一定である。一方、電流密度が９０Ａ／ｃｍ２以上の場合においては、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さに依存して全光束の値が変動することがわかる。具体的には、Ｒｍｓ＞０．８ｎｍの範囲では、各半導体発光素子１０の全光束は減少している。一方、Ｒｍｓ＜０．４ｎｍの範囲では、各半導体発光素子１０の全光束は増加している。これらに対して、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さが０．４ｎｍ≦Ｒｍｓ≦０．８ｎｍの範囲では、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さに依存した全光束の変動は見られない。
【００３３】
従って、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さを小さくすれば、高電流密度領域でも半導体発光素子１０の全光束は増加することになり、Ｉ−Ｌ特性の改善を行うことができる。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さを０．４ｎｍ≦Ｒｍｓ≦０．８ｎｍの範囲にすることによって、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さに依存しない一定の光出力を得ることができる。これにより、半導体発光素子１０ごとの特性のばらつきを抑えることができるため、一定の品質の半導体発光素子を提供することが可能となる。
【００３４】
図６は、各ｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０ごとの光出力のばらつきと電流密度との関係を示すグラフである。図６の横軸は電流密度（Ａ／ｃｍ２）であり、縦軸は表面粗さの異なるｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０ごとの全光束の標準偏差σである。なお、図６の従来例は、ｎ型ＧａＡｓ基板の表面粗さがナノレベルでばらついている半導体発光素子の全光束の標準偏差σを示している。なお、図６に示された各プロットは、図４と同様に、サンプル数４０個（ｎ＝４０）の平均値のプロットである。
【００３５】
図６に示されているように、従来例の標準偏差σは、電流密度が上昇するにつれて正比例的に増加している。すなわち、ｎ型ＧａＡｓ基板の表面粗さがナノレベルでばらついている半導体発光素子のＩ−Ｌ特性は、高電流密度領域においてばらついている。従って、表面粗さがナノレベルでばらついているｎ型ＧａＡｓ基板を使用する場合には、高電流密度領域において良好なＩ−Ｌ特性を有する半導体発光素子を歩留まり良く製造することが困難であり、十分な信頼性を有する半導体発光素子を得ることができないことがわかる。
【００３６】
また、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さがＲｍｓ＝０．８２、０．９３ｎｍの場合（すなわち、Ｒｍｓ＞０．８ｎｍ）には、従来例と比較すると各電流密度でのばらつきは小さくなっている。しかしながら、表面粗さがＲｍｓ＝０．８２、０．９３ｎｍのｎ型ＧａＡｓ基板１１が使用された半導体発光素子１０の標準偏差σは、電流密度が上昇するにつれて正比例的に増加している。従って、表面粗さがＲｍｓ＝０．８２、０．９３ｎｍのｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用する場合には、高電流密度領域において良好なＩ−Ｌ特性を有する半導体発光素子１０を歩留まり良く製造することが困難であり、十分な信頼性を有する半導体発光素子１０を得ることができないことがわかる。
【００３７】
一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さがＲｍｓ＝０．２２、０．３５、０．５４、０．７２ｎｍの場合（すなわち、Ｒｍｓ≦０．８ｎｍ）には、電流密度の増加と伴に、そのばらつきも大きくなっている。しかしながら、Ｒｍｓ＞０．８ｎｍのｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０と比較すると、そのばらつきは大幅に減少している。特に、電流密度が１００Ａ／ｃｍ２以上において、標準偏差σはほぼ飽和している。すなわち、表面粗さがＲｍｓ≦０．８ｎｍのｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用する場合には、高電流密度領域において良好なＩ−Ｌ特性を有する半導体発光素子１０を歩留まり良く製造することができ、十分な信頼性を有する半導体発光素子１０を得ることができる。
【００３８】
図４乃至図６を参照しつつ説明した内容から、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さの範囲をナノレベルで設定することにより、高電流密度領域においてもＩ−Ｌ特性のばらつきが少ない半導体発光素子１０を提供することができる。具体的には、図６によって示された半導体発光素子１０の全光束のばらつきから、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さがＲｍｓ≦０．８に設定されることが必要である。これにより、同一の表面粗さのｎ型ＧａＡｓ基板１１を有する半導体発光素子１０において、高電流密度領域における全光束のばらつきが低減される。更に、図５によって示されたｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さと全光束との関係から、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さが０．４≦Ｒｍｓ≦０．８の範囲内に設定されることが好ましい。これにより、半導体発光素子１０の全光束がｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さに依存して変化することが無くなり、高電流密度領域においても良好なＩ−Ｌ特性を有する半導体発光素子１０を歩留まり良く製造することができる。
【００３９】
図７は、表面粗さがＲｍｓ＝０．２２、０．３５、０．５４、０．７２、０．８２、０．９３ｎｍのｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０において、各ｎ型ＧａＡｓ基板１１と各活性層１４との関係を示したグラフである。図７の横軸はｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さＲｍｓ（ｎｍ）であり、縦軸は活性層１４の表面粗さＲｍｓ（ｎｍ）である。
【００４０】
図７に示されているように、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さがＲｍｓ＝０．２２、０．３５、０．５４、０．７２ｎｍ（すなわち、Ｒｍｓ≦０．８）の場合おいては、活性層１４の表面粗さはほぼ一定であり、その値も２．０ｎｍ以下と小さい。一方、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さがＲｍｓ＝０．８２、０．９３ｎｍ（すなわち、Ｒｍｓ＞０．８）の場合においては、活性層１４の表面粗さは正比例的に増加し、その値も３．０ｎｍ以上と大きい。
【００４１】
従って、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さがＲｍｓ≦０．８では、活性層１４の表面粗さを一定にすることができることで、活性層１４の表面粗さに起因したＩ−Ｌ特性のばらつきを抑えることが可能になる。このことは、表面粗さがＲｍｓ≦０．８のｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０の高電流密度領域における全光束のばらつき（標準偏差σ）が、表面粗さがＲｍｓ＞０．８のｎ型ＧａＡｓ基板１１を使用した半導体発光素子１０の高電流密度領域における全光束のばらつきよりも小さいこと（すなわち、図６で示されている結果）に対応している。従って、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面粗さが活性層１４の表面粗さに起因し、かかる活性層１４の表面粗さが半導体発光素子１０のＩ−Ｌ特性のばらつきに影響していることがわかる。
【００４２】
以上、詳細に説明したように、ＧａＡｓ基板のナノレベルの表面粗さと高電流密度領域における半導体発光素子の発光特性との関係を調べ、半導体発光素子の高輝度化、高出力化、並びに発光特性のばらつき低減のための基板表面粗さの条件を見出した。本発明の半導体発光素子によれば、半導体発光素子の成長基板であるｎ型ＧａＡｓ基板の二乗平均粗さが０．８ナノメートル以下であるため、半導体発光素子のＩ−Ｌ特性のばらつきを低減し、歩留まり及び信頼性の向上をはかることができる。
【実施例２】
【００４３】
以上に説明した第１の実施例の半導体発光素子１０は、成長基板として用いたｎ型ＧａＡｓ基板１１を永久基板として有しているが、本発明の半導体発光素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板が最終的に除去された構造であっても良い。
【００４４】
以下に、図８を参照しつつ、ｎ型ＧａＡｓ基板を有さない半導体発光素子の製造方法について説明する。
【００４５】
先ず、表面の二乗平均粗さが０．８ナノメートル以下のｎ型ＧａＡｓ基板８１が成長基板として準備される（図８（ａ））。なお、ｎ型ＧａＡｓ基板８１の表面の二乗平均粗さが０．４ナノメートル以上０．８ナノメートル以下であることがより好ましい。
【００４６】
次に、ＭＯＣＶＤを用いてｎ型ＧａＡｓ基板８１上にｎ型クラッド層８２、活性層８３及びｐ型クラッド層８４が形成される（図８（ｂ））。これによって、ｎ型ＧａＡｓ基板８１、ｎ型クラッド層８２、活性層８３及びｐ型クラッド層８４からなる半導体積層構造が形成される。なお、成長条件は、例えば、成長温度が約摂氏７００度、成長圧力が約１０ｋＰａ（キロパスカル）である。有機金属（ＭＯ）ガス用の原料としては、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。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。なお、第１の実施例のように、半導体積層構造には、ｎ型ＧａＡｓ基板８１とｎ型クラッド層８２との間にｎ型ＧａＡｓバッファ層が形成されても良く、ｐ型クラッド層８４上に電流拡散層が形成されても良い。
【００４７】
次に、ｐ型クラッド層８４上にスパッタリングによってｐ型電極８５が形成される（図８（ｃ））。なお、ｐ型クラッド層８４上へ絶縁性反射層を部分的に形成し、ｐ型電極８５がｐ型クラッド層８４上へ部分的に形成される構成としても良い。その後、ｐ型電極８５側に別途用意した支持体８６が接合層８７を介して貼り合わされる。（図８（ｄ））。この際、例えば、支持体８６は、ホウ素（Ｂ）がドープされ、且つシリコン（Ｓｉ）からなる導電性支持基板と、当該導電性支持基板の両面に形成された各種金属層と、から構成されている。また、ｐ型電極８５と支持体８６との貼り合わせは、ｐ型電極８５上と支持体８６上との少なくともいずれか一方に形成されＡｕＳｎなどの共晶合金からなる接合層８７を介して行われる。
【００４８】
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って、ｎ型ＧａＡｓ基板８１が除去される（図９（ａ））。ｎ型ＧａＡｓ基板を除去して表出したｎ型クラッド層８２上にスパッタリングによってｎ型電極８８が、形成される（図９（ｂ））。このような製造工程によって形成された半導体発光素子を本発明の第２の実施例の半導体発光素子８０とすることができる。
【００４９】
つまり、表面の二乗平均粗さが０．８ナノメートル以下のＧａＡｓ基板を成長基板として用いて成長させた、第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層を含む半導体積層構造を有する半導体発光素子であれば、高電流密度領域においても良好な電気光学特性を得ることができる。そして、表面の二乗平均粗さが０．４ナノメートル以上０．８ナノメートル以下のＧａＡｓ基板を成長基板として用いて成長させた、第１導電型クラッド層、活性層、第２導電型クラッド層を含む半導体積層構造を有する半導体発光素子であれば、高電流密度領域においても良好でばらつきの少ない電気光学特性を得ることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１０ 半導体発光素子
１１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型ＧａＡｓバッファ層
１３ ｎ型クラッド層
１４ 活性層
１５ ｐ型クラッド層
１６ ｐ型電流拡散層
１７ ｎ側電極
１８ ｐ型電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の二乗平均粗さが０．４ナノメートル以上０．８ナノメートル以下のＧａＡｓ基板上に第１導電型クラッド層を形成する第１導電型クラッド層工程と、
前記第１導電型クラッド層上に活性層を形成する活性層工程と、
前記活性層上に第２導電型クラッド層を形成する第２導電型クラッド層工程と、を有することを特徴とする半導体積層構造の製造方法。
【請求項２】
前記第２導電型クラッド層上に第２導電型電極を形成する第２導電型電極工程と、
接合層を介して前記第２導電型電極を支持体に貼り合わせる貼り合わせ工程と、をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の半導体積層構造の製造方法。
【請求項３】
前記ＧａＡｓ基板を除去する除去工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体積層構造の製造方法。
【請求項１】
表面の二乗平均粗さが０．４ナノメートル以上０．８ナノメートル以下のＧａＡｓ基板上に第１導電型クラッド層を形成する第１導電型クラッド層工程と、
前記第１導電型クラッド層上に活性層を形成する活性層工程と、
前記活性層上に第２導電型クラッド層を形成する第２導電型クラッド層工程と、を有することを特徴とする半導体積層構造の製造方法。
【請求項２】
前記第２導電型クラッド層上に第２導電型電極を形成する第２導電型電極工程と、
接合層を介して前記第２導電型電極を支持体に貼り合わせる貼り合わせ工程と、をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の半導体積層構造の製造方法。
【請求項３】
前記ＧａＡｓ基板を除去する除去工程を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体積層構造の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−６２５３２（Ｐ２０１３−６２５３２Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２５８４３０（Ｐ２０１２−２５８４３０）
【出願日】平成２４年１１月２７日（２０１２．１１．２７）
【分割の表示】特願２００８−２１３８０１（Ｐ２００８−２１３８０１）の分割
【原出願日】平成２０年８月２２日（２００８．８．２２）
【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２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１１月２７日（２０１２．１１．２７）
【分割の表示】特願２００８−２１３８０１（Ｐ２００８−２１３８０１）の分割
【原出願日】平成２０年８月２２日（２００８．８．２２）
【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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