(57)【要約】【課題】発光効率の更なる向上を可能とした半導体発光素子を提供する。【解決手段】少なくとも基板の上に、第１の導電型を有する第１のクラッド層と、障壁層３２の間に量子井戸層３１が挟み込まれた活性層２２と、第１の導電型とは反対となる第２の導電型を有する第２のクラッド層とが、順次積層された構造を備える半導体発光素子であって、量子井戸層３１は、Ａｌを含有しないＩｎ系化合物半導体からなり、活性層２２は、基板側から見て、量子井戸層３１から障壁層３２へと変化する量子井戸層３１と障壁層３２との間に、少なくとも障壁層３２よりも高い濃度のＡｌを含有した第１の中間層３３Ａを含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも基板の上に、第１の導電型を有する第１のクラッド層と、障壁層の間に量子井戸層が挟み込まれた活性層と、前記第１の導電型とは反対となる第２の導電型を有する第２のクラッド層とが、順次積層された構造を備える半導体発光素子であって、
前記量子井戸層は、Ａｌを含まないＩｎ系化合物半導体からなり、
前記活性層は、前記基板側から見て、前記量子井戸層から前記障壁層へと変化する前記量子井戸層と前記障壁層との界面に、少なくとも前記障壁層よりも高い濃度のＡｌを含むことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記量子井戸層は、Ａｌを含まないＩｎＧａＡｓ系化合物半導体からなることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記活性層は、前記基板側から見て、前記障壁層から前記量子井戸層へと変化する前記障壁層と前記量子井戸層との界面に、少なくとも前記障壁層よりも高い濃度のＡｌを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記障壁層は、Ａｌを含まないＧａＡｓＰ系化合物半導体、又は、前記障壁層と前記量子井戸層との界面よりもＡｌの濃度が低いＡｌＧａＡｓＰ系化合物半導体からなることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記活性層は、前記基板側から見て、前記量子井戸層から前記障壁層へと変化する前記量子井戸層と前記障壁層との間に、少なくとも前記障壁層よりも高い濃度のＡｌを含む第１の中間層と、前記障壁層から前記量子井戸層へと変化する前記障壁層と前記量子井戸層との間に、少なくとも前記障壁層よりも高い濃度のＡｌを含む第２の中間層とを有し、
前記第１の中間層は、前記第２の中間層よりもＩｎの濃度が高いことを特徴とする請求項３又は４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記活性層は、前記基板側から見て、最下層に位置する障壁層と、最上層に位置する障壁層との間で、前記障壁層と前記量子井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有することを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
少なくとも基板の上に、第１の導電型を有する第１のクラッド層と、障壁層の間に量子井戸層が挟み込まれた活性層と、前記第１の導電型とは反対となる第２の導電型を有する第２のクラッド層とが、順次積層された構造を備える半導体発光素子の製造方法であって、
前記障壁層の原料ガスを用いてエピタキシャル成長により前記障壁層を形成する工程と、前記量子井戸層の原料ガスを用いてエピタキシャル成長により前記量子井戸層を形成する工程とを交互に切り替えながら、前記障壁層の間に前記量子井戸層が挟み込まれた前記活性層を形成する際に、
前記量子井戸層を形成する工程において、Ａｌを含まないＩｎ系化合物半導体を結晶成長させ、
前記量子井戸層を形成する工程から前記障壁層を形成する工程へと切り替わる間に、Ａｌを含む原料ガスを用いてエピタキシャル成長によりＡｌを結晶成長させることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記量子井戸層を形成する工程において、Ａｌを含まないＩｎＧａＡｓ系化合物半導体を結晶成長させることを特徴とする請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
前記障壁層を形成する工程から前記量子井戸層を形成する工程へと切り替わる間に、Ａｌを含む原料ガスを用いてエピタキシャル成長によりＡｌを結晶成長させることを特徴とする請求項７又は８に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
前記障壁層を形成する工程において、Ａｌを含まないＧａＡｓＰ系化合物半導体、又は、前記障壁層と前記量子井戸層との界面よりもＡｌの濃度が低いＡｌＧａＡｓＰ系化合物半導体を結晶成長させることを特徴とする請求項９に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
前記Ａｌを含む原料ガスとして、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いることを特徴とする請求項７〜１０の何れか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
前記基板側から見て、最下層に位置する障壁層と、最上層に位置する障壁層との間で、前記障壁層と前記量子井戸層とが交互に複数積層された多重量子井戸構造を有する前記活性層を形成することを特徴とする請求項７〜１１の何れか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）やレーザーダイオード（ＬＤ：Laser Diode）などの半導体発光素子がある。半導体発光素子では、基板の上に、ｎ型クラッド層と、活性層（発光層）と、ｐ型クラッド層とをエピタキシャル成長により順次積層したダブルヘテロ構造を備えたものが主流となっている。
【０００３】
また、各層のエピタキシャル成長には、有機金属気相堆積法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）が用いられている。ＭＯＣＶＤは、原料ガスとなる有機金属材料ガスの熱分解反応によって、この原料ガス中の金属成分を基板の上に結晶成長させる気相エピタキシャル成長方法（ＶＰＥ：Vapor Phase Epitaxy）の一種である。
【０００４】
さらに、半導体発光素子の中には、上述したＭＯＣＶＤを用いて、バンドギャップが小さい極めて薄い層（「量子井戸層」という。）をバンドギャップが大きい層（「障壁層」という。）で挟み込むように形成した量子井戸構造を活性層に用いたものがある（例えば、下記特許文献１を参照。）。
【０００５】
量子井戸構造では、量子井戸層にキャリア（電子及び正孔）を閉じ込めることができるため、発光効率を高めることが可能である。さらに、最下層に位置する障壁層と、最上層に位置する障壁層との間で、障壁層と量子井戸層とを交互に複数積層したものは、多重量子井戸構造（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）と呼ばれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００９−５４５８６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、活性層に量子井戸構造を用いた半導体発光素子では、障壁層と量子井戸層との界面での組成変化が急峻であるほど、上述した量子井戸層へのキャリアの閉じ込め効果が高まるため、発光効率の改善が期待できる。
【０００８】
一方、半導体発光素子の製造方法では、障壁層の原料ガスを用いてエピタキシャル成長により障壁層を形成する工程と、量子井戸層の原料ガスを用いてエピタキシャル成長により量子井戸層を形成する工程とを交互に切り替えながら、上述した量子井戸構造を有する活性層の形成が行われている。
【０００９】
しかしながら、このような活性層の形成方法では、障壁層と量子井戸層との界面での組成変化を急峻にすることが課題と考えられる。例えば、量子井戸層にＧａＡｓよりも格子定数の大きいＩｎＧａＡｓを用い、障壁層にＧａＡｓよりも格子定数の小さいＧａＡｓＰを用いて、活性層を形成した場合について、障壁層と量子井戸層との界面での組成変化が緩やかとなっていた。
【００１０】
活性層では、ＧａＡｓからなる基板の上に、ＧａＡｓよりも格子定数の大きいＩｎＧａＡｓからなる量子井戸層と、ＧａＡｓよりも格子定数の小さいＧａＡｓＰからなる障壁層とを交互に積層することによって、基板との格子定数の違いによる歪みバランスを調整している。
【００１１】
障壁層と量子井戸層との界面での組成変化が急峻でない場合、上述した歪みバランスが崩れ易くなり、どちらかに偏ると、歪みによる転位が発生して、出力低下に繋がることになると考えられる。
【００１２】
本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、発光効率の更なる向上を可能とした半導体発光素子及びその製造方法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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕  少なくとも基板の上に、第１の導電型を有する第１のクラッド層と、障壁層の間に量子井戸層が挟み込まれた活性層と、前記第１の導電型とは反対となる第２の導電型を有する第２のクラッド層とが、順次積層された構造を備える半導体発光素子であって、
前記量子井戸層は、Ａｌを含まないＩｎ系化合物半導体からなり、
前記活性層は、前記基板側から見て、前記量子井戸層から前記障壁層へと変化する前記量子井戸層と前記障壁層との界面に、少なくとも前記障壁層よりも高い濃度のＡｌを含むことを特徴とする半導体発光素子。
〔２〕  前記量子井戸層は、Ａｌを含まないＩｎＧａＡｓ系化合物半導体からなることを特徴とする前記〔１〕に記載の半導体発光素子。
〔３〕  前記活性層は、前記基板側から見て、前記障壁層から前記量子井戸層へと変化する前記障壁層と前記量子井戸層との界面に、少なくとも前記障壁層よりも高い濃度のＡｌを含むことを特徴とする前記〔１〕又は〔２〕に記載の半導体発光素子。
〔４〕  前記障壁層は、Ａｌを含まないＧａＡｓＰ系化合物半導体、又は、前記障壁層と前記量子井戸層との界面よりもＡｌの濃度が低いＡｌＧａＡｓＰ系化合物半導体からなることを特徴とする前記〔３〕に記載の半導体発光素子。
〔５〕  前記活性層は、前記基板側から見て、前記量子井戸層から前記障壁層へと変化する前記量子井戸層と前記障壁層との間に、少なくとも前記障壁層よりも高い濃度のＡｌを含む第１の中間層と、前記障壁層から前記量子井戸層へと変化する前記障壁層と前記量子井戸層との間に、少なくとも前記障壁層よりも高い濃度のＡｌを含む第２の中間層とを有し、
前記第１の中間層は、前記第２の中間層よりもＩｎの濃度が高いことを特徴とする前記〔３〕又は〔４〕に記載の半導体発光素子。
〔６〕  前記活性層は、前記基板側から見て、最下層に位置する障壁層と、最上層に位置する障壁層との間で、前記障壁層と前記量子井戸層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有することを特徴とする前記〔１〕〜〔５〕の何れか一項に記載の半導体発光素子。
〔７〕  少なくとも基板の上に、第１の導電型を有する第１のクラッド層と、障壁層の間に量子井戸層が挟み込まれた活性層と、前記第１の導電型とは反対となる第２の導電型を有する第２のクラッド層とが、順次積層された構造を備える半導体発光素子の製造方法であって、
前記障壁層の原料ガスを用いてエピタキシャル成長により前記障壁層を形成する工程と、前記量子井戸層の原料ガスを用いてエピタキシャル成長により前記量子井戸層を形成する工程とを交互に切り替えながら、前記障壁層の間に前記量子井戸層が挟み込まれた前記活性層を形成する際に、
前記量子井戸層を形成する工程において、Ａｌを含まないＩｎ系化合物半導体を結晶成長させ、
前記量子井戸層を形成する工程から前記障壁層を形成する工程へと切り替わる間に、Ａｌを含む原料ガスを用いてエピタキシャル成長によりＡｌを結晶成長させることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
〔８〕  前記量子井戸層を形成する工程において、Ａｌを含まないＩｎＧａＡｓ系化合物半導体を結晶成長させることを特徴とする前記〔７〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔９〕  前記障壁層を形成する工程から前記量子井戸層を形成する工程へと切り替わる間に、Ａｌを含む原料ガスを用いてエピタキシャル成長によりＡｌを結晶成長させることを特徴とする前記〔７〕又は〔８〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔１０〕  前記障壁層を形成する工程において、Ａｌを含まないＧａＡｓＰ系化合物半導体、又は、前記障壁層と前記量子井戸層との界面よりもＡｌの濃度が低いＡｌＧａＡｓＰ系化合物半導体を結晶成長させることを特徴とする前記〔９〕に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔１１〕  前記Ａｌを含む原料ガスとして、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いることを特徴とする前記〔７〕〜〔１０〕の何れか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
〔１２〕  前記基板側から見て、最下層に位置する障壁層と、最上層に位置する障壁層との間で、前記障壁層と前記量子井戸層とが交互に複数積層された多重量子井戸構造を有する前記活性層を形成することを特徴とする前記〔７〕〜〔１１〕の何れか一項に記載の半導体発光素子の製造方法。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明によれば、発光効率の更なる向上を可能とした半導体発光素子及びその製造方法を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す半導体発光素子が備えるエピタキシャル成長層の構成を示す断面模式図である。
【図３】図２に示すエピタキシャル成長層が備える活性層の構成を示す断面模式図である。
【図４】図３に示す活性層を形成する際の各原料ガスの供給を切り替える手順を示すシーケンス図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子が備える活性層の構成を示す断面模式図である。
【図６】図５に示す活性層を形成する際の各原料ガスの供給を切り替える手順を示すシーケンス図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る半導体発光素子が備える活性層の構成を示す断面模式図である。
【図８】図７に示す活性層を形成する際の各原料ガスの供給を切り替える手順を示すシーケンス図である。
【図９】実施例１の半導体発光素子が備える基板及びエピタキシャル成長層の構成を示す断面模式図である。
【図１０】図９に示すエピタキシャル成長層を構成する各層を形成する際の各原料ガスの供給を切り替える手順を示すシーケンス図である。
【図１１】実施例２のサンプルの構成を示す断面模式図である。
【図１２】図１１に示すサンプルのＳＩＭＳ分析による測定結果を示すグラフである。
【図１３】図１１に示すサンプルにおけるＩｎの組成変化を測定した結果を示すグラフである。
【図１４】図１３中に示すグラフの一部を拡大したグラフである。
【図１５】図１１に示すサンプルの活性層を構成する各層のエネルギー準位を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがあり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００１７】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態として、例えば図１〜図３に示す半導体発光素子１について説明する。
なお、図１は、半導体発光素子１の構成を示す断面図である。図２は、半導体発光素子１が備えるエピタキシャル成長層３の積層構造を示す断面図である。図３は、エピタキシャル成長層３が備える活性層２２の構成を示す断面図である。
【００１８】
本実施形態の半導体発光素子１は、例えば、赤外光（例えばピーク波長が９４０ｎｍの赤外光）を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）に本発明を適用したものである。なお、赤外光のピーク波長については、７８０ｎｍ超〜１μｍの範囲が好ましく、より好ましくは８８０ｎｍ〜９４０ｎｍの範囲である。
【００１９】
具体的に、この半導体発光素子１は、図１に示すように、基板２の一面（図１中の下面）側に、エピタキシャル成長層３と、絶縁層４と、ｐ側コンタクト電極５と、反射層６と、第１の保護層７と、第２の保護層８と、第３の保護層９とを有している。
【００２０】
基板２は、第１の導電型（本実施形態ではｎ型）を有する半導体基板からなる。エピタキシャル成長層３は、後述するエピタキシャル成長によって基板２の面上に設けられている。絶縁層４は、エピタキシャル成長層３の面上の一部を覆うように設けられている。ｐ側コンタクト電極５は、絶縁層４を含むエピタキシャル成長層３の面上を覆うように設けられている。反射層６は、ｐ側コンタクト電極５の全面を覆うように設けられている。第１の保護層７は、反射層６の全面を覆うように設けられている。第２の保護層８は、エピタキシャル成長層３及び第１の保護層７の側面を覆うように設けられている。第３の保護層９は、第１の保護層の面上を覆うように設けられている。
【００２１】
一方、本実施形態の半導体発光素子１は、基板２の他面（図１中の上面）側に、全反射抑制層１０と、ｎ側コンタクト電極１１と、パッド電極１２とを有している。
【００２２】
全反射抑制層１０は、基板２のコンタクト部２ａを除く基板２の他面上を覆うように設けられている。ｎ側コンタクト電極１１は、基板２のコンタクト部２ａ上に設けられている。パッド電極１２は、ｎ側コンタクト電極１１上に設けられている。
【００２３】
なお、本実施形態では、例えば、基板２にＡｌＧａＡｓと、絶縁層４にＳｉＯ２と、ｐ側コンタクト電極５にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）と、反射層６にＡｇ／Ｐｔと、第１の保護層７にＴｉＷ／Ｐｔ／Ａｕと、第２の保護層８にＳｉＯ２と、第３の保護層９にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕと、全反射抑制層１０にＴｉＯ２／ＳｉＯ２と、ｎ側コンタクト電極１１にＡｕＧｅ／Ｎｉと、パッド電極１２にＴｉ／Ａｕとを用いているが、これらの材料に必ずしも限定されるものではない。また、各部の厚みについても任意に設定することが可能である。
【００２４】
また、本実施形態の半導体発光素子１は、上述した構成に必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更を加えることが可能である。
【００２５】
エピタキシャル成長層３は、図２に示すように、少なくとも基板２の上に、第１の導電型（本実施形態ではｎ型）を有する第１のクラッド層２１と、発光層となる活性層２２と、第１の導電型とは反対となる第２の導電型（本実施形態ではｐ型）を有する第２のクラッド層２３とが順次積層されたダブルヘテロ構造を有している。
【００２６】
また、エピタキシャル成長層３は、分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：Separated Confinement Heterostructure）として、活性層２２を挟んだ厚み方向の両側に、第１のクラッド層２１よりも屈折率が大きい第１のＳＣＨ層２４と、第２のクラッド層２３よりも屈折率が大きい第２のＳＣＨ層２５とが設けられた構成となっている。
【００２７】
さらに、エピタキシャル成長層３は、キャリアの広がり抵抗を低減させるＣＳＬ層（ＣＳＬ：Current Spereading Layer）として、第１のクラッド層２１と基板２との間に第１のＣＳＬ層２６と、第２のクラッド層２３とｐ側コンタクト電極５との間に第２のＣＳＬ層２７とが設けられた構成となっている。
【００２８】
したがって、このエピタキシャル成長層３は、基板２側から見て、第１のＣＳＬ層２６と、第１のクラッド層２１と、第１のＳＣＨ層２４と、活性層２２と、第２のＳＣＨ層２５と、第２のクラッド層２３と、第２のＣＳＬ層２７とが、エピタキシャル成長により順次積層された構造を有している。また、第２のＣＳＬ層２７の上には、ｐ側コンタクト層２８がエピタキシャル成長により形成されている。
【００２９】
活性層２２は、図３に示すように、バンドギャップが小さい極めて薄い量子井戸層３１をバンドギャップが大きい障壁層３２で挟み込む量子井戸構造を有している。また、活性層２２は、基板２側から見て、最下層に位置する障壁層３２と、最上層に位置する障壁層３２との間で、障壁層３２と量子井戸層３１とを交互に複数積層した多重量子井戸構造（ＭＱＷ）を有している。
【００３０】
本実施形態の活性層２２は、例えば、６つの障壁層３２と５つの量子井戸層３１とが交互に積層された１１層構造を有している。なお、図２及び図３では、便宜上、２つの障壁層３２の間に１つの量子井戸層３１が挟み込まれた活性層２２のみを図示するものとする。
【００３１】
ところで、本実施形態の活性層２２は、基板２側から見て、量子井戸層３１から障壁層３２へと変化する量子井戸層３１と障壁層３２との間に、少なくとも障壁層３２よりも高い濃度のＡｌを含む第１の中間層３３Ａと、障壁層３２から量子井戸層３１へと変化する障壁層３２と量子井戸層３１との間に、少なくとも障壁層３２よりも高い濃度のＡｌを含む第２の中間層３３Ｂとを有している。
【００３２】
すなわち、第１の中間層３３Ａは、量子井戸層３１の成長終了側と障壁層３２との間に設けられている。一方、第２の中間層３３Ｂは、障壁層３２の成長終了側と量子井戸層３１との間に設けられている。また、第１の中間層３３Ａは、量子井戸層３１の基板２から遠い側の表面と障壁層３２との間に設けられている。一方、第２の中間層３３Ｂは、量子井戸層３１の基板２から近い側の表面と障壁層３２との間に設けられている。
【００３３】
量子井戸層３１は、Ａｌを含まないＩｎ系化合物半導体からなる。その中でも、例えばＡｌを含まないＩｎＧａＡｓ系化合物半導体からなる。障壁層３２は、Ａｌを含まないＧａＡｓＰ系化合物半導体からなる。なお、障壁層３２は、Ａｌを含む材料、例えば、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓＰなどの材料からなどから構成することもできる。
【００３４】
本実施形態の活性層２２では、ＧａＡｓからなる基板２の上に、ＧａＡｓよりも格子定数の大きいＩｎＧａＡｓからなる量子井戸層３１と、ＧａＡｓよりも格子定数の小さいＧａＡｓＰからなる障壁層３２とを交互に積層することによって、基板２との格子定数の違いによる歪みバランスを調整することができる。
【００３５】
なお、本発明において「Ａｌを含まない」とは、化合物半導体の組成としてＡｌを完全に含まない又はＡｌを実質的に含まないことを意味する。
【００３６】
第１の中間層３３Ａは、量子井戸層３１と障壁層３２との界面に、少なくとも障壁層３２よりも高い濃度のＡｌを含んで構成される。具体的に、第１の中間層３３Ａは、量子井戸層３１の表面全体を覆う層であってもよく、量子井戸層３１の表面に島状に分散して設けられた層であってもよい。また、第１の中間層３３Ａは、量子井戸層３１と障壁層３２との間で混晶化されたＡｌを含む層であってもよく、量子井戸層３１と障壁層３２との間でＡｌの濃度が相対的に高くなっている層であってもよい。
【００３７】
同様に、第２の中間層３３Ｂは、障壁層３２と量子井戸層３１との界面にＡｌを含んで構成される。具体的に、第２の中間層３３Ｂは、障壁層３２の表面全体を覆う層であってもよく、障壁層３２の表面に島状に分散して設けられた層であってもよい。また、第２の中間層３３Ｂは、障壁層３２と量子井戸層３１との間で混晶化されたＡｌを含む層であってもよく、障壁層３２と量子井戸層３１との間でＡｌの濃度が相対的に高くなっている層であってもよい。
【００３８】
本実施形態の活性層２２において、第１の中間層３３Ａ及び第２の中間層３３Ｂの厚みは、１ｎｍ以上、３ｎｍ以下、より具体的には、２モノレイヤー以上、６モノレイヤー以下であることが好ましい。これにより、障壁高さが上がることによる半導体発光素子１の順方向電圧（Ｖｆ）の上昇が抑えられる。
【００３９】
一方、第１の中間層３３Ａ及び第２の中間層３３Ｂの厚みが薄過ぎると、上述した第１の中間層３３Ａ及び第２の中間層３３Ｂを設けたことによる効果が十分に得られなくなる。また、面内の膜厚分布にバラツキが生じ易くなる。逆に、第１の中間層３３Ａ及び第２の中間層３３Ｂの厚みが厚過ぎると、キャリアのブロック層として働き始めるため、上述したＶｆの上昇に繋がることになる。
【００４０】
また、第１の中間層３３Ａは、第２の中間層３３ＢよりもＩｎの濃度が高くなっている。第１の中間層３３Ａでは、Ｉｎ系化合物半導体からなる量子井戸層３１の成長後に表面に残留するＩｎを取り込むことによって、障壁層３２へのＩｎの混入や拡散を防止することが行われていると考えられる。
【００４１】
以上のように、本実施形態の半導体発光素子１では、上述した第１の中間層３３Ａにより量子井戸層３１と障壁層３２との界面での組成変化を急峻とし、第２の中間層３３Ｂにより障壁層３２と量子井戸層３１との界面での組成変化を急峻とすることで、量子井戸層３１へのキャリアの閉じ込め効果を改善し、この半導体発光素子１の発光効率を更に向上させることが可能である。
【００４２】
（半導体発光素子の製造方法）
次に、本実施形態の半導体発光素子１の製造方法について、図４を参照しながら説明する。
なお、図４は、上記活性層２２を形成する際の各原料ガスの供給を切り替える手順を示すシーケンス図である。
【００４３】
本実施形態の半導体発光素子１の製造方法では、ＭＯＣＶＤを用いて、基板２の上に、第１のＣＳＬ層２６と、第１のクラッド層２１と、第１のＳＣＨ層２４と、活性層２２と、第２のＳＣＨ層２５と、第２のクラッド層２３と、第２のＣＳＬ層２７とを、エピタキシャル成長により順次積層することによって、エピタキシャル成長層３を形成する。
【００４４】
また、障壁層３２の原料ガスを用いてエピタキシャル成長により障壁層３２を形成する工程と、量子井戸層３１の原料ガスを用いてエピタキシャル成長により量子井戸層３１を形成する工程とを交互に切り替えながら、障壁層３２の間に量子井戸層３１が挟み込まれた量子井戸構造を有する活性層２２を形成する。なお、本実施形態では、上述した６つの障壁層３２と５つの量子井戸層３１とを交互に積層した活性層２２を形成する。
【００４５】
活性層２２を形成する際は、図４に示すように、障壁層３２の原料ガスとして、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いて、エピタキシャル成長によりＧａＡｓＰからなる障壁層３２を形成する。
【００４６】
また、量子井戸層３１の原料ガスとして、アルシン（ＡｓＨ３）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いて、エピタキシャル成長によりＩｎＧａＡｓからなる量子井戸層３１を形成する。
【００４７】
さらに、Ａｌを含む原料ガスとして、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いて、エピタキシャル成長によりＡｌを含む第１の中間層３３Ａ及び第２の中間層３３Ｂを形成する。
【００４８】
本実施形態の半導体発光素子１の製造方法では、量子井戸層３１を形成する工程から障壁層３２を形成する工程へと切り替わる間に、Ａｌを含む原料ガス（ＴＭＡ）を用いて、エピタキシャル成長によりＡｌを結晶成長させることで、Ａｌを含む第１の中間層３３Ａを形成している。
【００４９】
また、本実施形態の半導体発光素子１の製造方法では、障壁層３２を形成する工程から量子井戸層３１を形成する工程へと切り替わる間に、Ａｌを含む原料ガス（ＴＭＡ）を用いて、エピタキシャル成長によりＡｌを結晶成長させることで、Ａｌを含む第２の中間層３３Ｂを形成している。
【００５０】
ここで、ＩｎＧａＡｓからなる量子井戸層３１を形成した直後は、量子井戸層３１の表面に、結晶化する前のＩｎ原子、Ｇａ原子、Ａｓ原子が付着していると考えられる。特に、ＩｎＧａＡｓは、ＧａＡｓとの間で格子定数の不整合が大きいため、Ｉｎ原子が結晶化せずに、未反応のＩｎＧａＡｓが量子井戸層３１の表面に留まっていると考えられる。
【００５１】
その後、ＴＭＡの供給により、量子井戸層３１の表面にＡｌ原子が付着すると、Ａｌは結晶化し易いため、このＡｌを起点にして未反応のＩｎＧａＡｓの結晶化が進むと考えられる。一方、その後に形成される障壁層３２にＩｎ原子が取り込まれることを抑制することができる。これにより、第１の中間層３３Ａを介して量子井戸層３１と障壁層３２との界面での組成変化を急峻にすることが可能である。
【００５２】
一方、ＧａＡｓＰからなる障壁層３２を形成した直後に、ＴＭＡの供給により、量子井戸層３１の表面にＡｌ原子を付着させることで、量子井戸層３１となるＩｎ原子が取り込み易くなると考えられる。これにより、第２の中間層３３Ｂを介して障壁層３２と量子井戸層３１との界面での組成変化を急峻にすることが可能である。
【００５３】
以上のように、本実施形態の半導体発光素子１の製造方法では、上述した量子井戸層３１を形成する工程から障壁層３２を形成する工程へと切り替わる間に、Ａｌを含む原料ガス（ＴＭＡ）を用いて、Ａｌを含む第１の中間層３３Ａを形成し、障壁層３２を形成する工程から量子井戸層３１を形成する工程へと切り替わる間に、Ａｌを含む原料ガス（ＴＭＡ）を用いて、Ａｌを含む第２の中間層３３Ｂを形成することが可能である。これにより、上述した量子井戸層３１へのキャリアの閉じ込め効果を改善し、発光効率に優れた半導体発光素子１を得ることが可能である。
【００５４】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態として、図５に示す半導体発光素子１が備える活性層２２Ａについて説明する。
なお、図５は、活性層２２Ａの構成を示す断面模式図である。また、以下の説明では、上記活性層２２と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【００５５】
本実施形態の半導体発光素子１は、上記図３に示す活性層２２の代わりに、図５に示す活性層２２Ａを備えた構成であり、それ以外は上記半導体発光素子１と基本的に同じ構成を有している。
【００５６】
具体的に、この活性層２２Ａは、第２の中間層３３ＢよりもＡｌの濃度が低いＡｌＧａＡｓＰ系化合物半導体からなる障壁層３２Ａを有する以外は、上記活性層２２と基本的に同じ構成を有している。
【００５７】
したがって、この活性層２２Ａのうち、障壁層３２Ａについては、ＡｌＧａＡｓＰ系化合物半導体からなる構成とすることもできる。その場合、第２の中間層３３Ｂについては、障壁層３２ＡよりもＡｌの濃度が高い構成とすることができる。
【００５８】
本実施形態の活性層２２Ａでは、ＧａＡｓからなる基板２の上に、ＧａＡｓよりも格子定数の大きいＩｎＧａＡｓからなる量子井戸層３１と、ＧａＡｓよりも格子定数の小さいＡｌＧａＡｓＰからなる障壁層３２Ａとを交互に積層することによって、基板２との格子定数の違いによる歪みバランスを調整することができる。
【００５９】
また、本実施形態の活性層２２Ａは、基板２側から見て、量子井戸層３１から障壁層３２Ａへと変化する量子井戸層３１と障壁層３２Ａとの間に、少なくとも障壁層３２Ａよりも高い濃度のＡｌを含む第１の中間層３３Ａと、障壁層３２Ａから量子井戸層３１へと変化する障壁層３２Ａと量子井戸層３１との間に、少なくとも障壁層３２Ａよりも高い濃度のＡｌを含む第２の中間層３３Ｂとを有している。
【００６０】
これにより、本実施形態の活性層２２Ａでは、上記活性層２２と同様に、第１の中間層３３Ａを介して量子井戸層３１と障壁層３２Ａとの界面での組成変化を急峻にし、第２の中間層３３Ｂを介して障壁層３２Ａと量子井戸層３１との界面での組成変化を急峻にすることができる。また、その間にある第１の中間層３３Ａ及び第２の中間層３３Ｂを高バンドギャップにすることで、量子井戸層３１へのキャリアの閉じ込め効果を高めることが可能である。
【００６１】
また、活性層２２Ａを形成する際の各原料ガスの供給を切り替える手順を図６に示す。なお、図６は、活性層２２Ａを形成する際の各原料ガスの供給を切り替える手順を示すシーケンス図である。
【００６２】
活性層２２Ａを形成する際は、図６に示すように、障壁層３２の原料ガスとして、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いて、エピタキシャル成長によりＡｌＧａＡｓＰからなる障壁層３２Ａを形成する。
【００６３】
また、量子井戸層３１の原料ガスとして、アルシン（ＡｓＨ３）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いて、エピタキシャル成長によりＩｎＧａＡｓからなる量子井戸層３１を形成する。
【００６４】
さらに、Ａｌを含む原料ガスとして、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いて、エピタキシャル成長によりＡｌを含む第１の中間層３３Ａ及び第２の中間層３３Ｂを形成する。
【００６５】
したがって、上記活性層２２を形成する場合と同様に、上述した量子井戸層３１を形成する工程から障壁層３２Ａを形成する工程へと切り替わる間に、Ａｌを含む原料ガス（ＴＭＡ）を用いて、Ａｌを含む第１の中間層３３Ａを形成し、障壁層３２Ａを形成する工程から量子井戸層３１を形成する工程へと切り替わる間に、Ａｌを含む原料ガス（ＴＭＡ）を用いて、Ａｌを含む第２の中間層３３Ｂを形成することが可能である。
【００６６】
以上のように、本実施形態の半導体発光素子１では、上述した第１の中間層３３Ａにより量子井戸層３１と障壁層３２Ａとの界面での組成変化を急峻とし、第２の中間層３３Ｂにより障壁層３２Ａと量子井戸層３１との界面での組成変化を急峻とすることで、量子井戸層３１へのキャリアの閉じ込め効果を改善し、この半導体発光素子１の発光効率を更に向上させることが可能である。
【００６７】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態として、図７に示す半導体発光素子１が備える活性層２２Ｂについて説明する。
【００６８】
なお、図７は、活性層２２Ｂの構成を示す断面模式図である。また、以下の説明では、上記活性層２２と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【００６９】
本実施形態の半導体発光素子１は、上記図３に示す活性層２２の代わりに、図７に示す活性層２２Ｂを備えた構成であり、それ以外は上記半導体発光素子１と基本的に同じ構成を有している。
【００７０】
具体的に、この活性層２２Ｂは、上記活性層２２に設けられた第２の中間層３３Ｂを省略した以外は、上記活性層２２と基本的に同じ構成を有している。すなわち、この活性層２２Ｂは、基板２側から見て、量子井戸層３１から障壁層３２へと変化する量子井戸層３１と障壁層３２との間にのみ、少なくとも障壁層３２よりも高い濃度のＡｌを含む第１の中間層３３Ａが設けられた構成となっている。
【００７１】
これにより、本実施形態の活性層２２Ｂでは、第１の中間層３３Ａを介して量子井戸層３１と障壁層３２Ａとの界面での組成変化を急峻にすることができる。また、その間にある第１の中間層３３Ａを高バンドギャップにすることで、量子井戸層３１へのキャリアの閉じ込め効果を高めることが可能である。
【００７２】
すなわち、本実施形態の活性層２２Ｂでは、上記活性層２２に設けられた第２の中間層３３Ｂを省略した構成であっても、上述した第１の中間層３３Ａにより量子井戸層３１から障壁層３２ＡへとＩｎ原子が取り込まれることを抑制することで、量子井戸層３１と障壁層３２との界面での組成変化を急峻とすることが可能である。
【００７３】
また、活性層２２Ｂを形成する際の各原料ガスの供給を切り替える手順を図８に示す。なお、図８は、活性層２２Ｂを形成する際の各原料ガスの供給を切り替える手順を示すシーケンス図である。
【００７４】
活性層２２Ｂを形成する際は、図６に示すように、障壁層３２の原料ガスとして、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いて、エピタキシャル成長によりＡｌＧａＡｓＰからなる障壁層３２を形成する。
【００７５】
また、量子井戸層３１の原料ガスとして、アルシン（ＡｓＨ３）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）、トリメチルガリウム（ＴＭＧ）を用いて、エピタキシャル成長によりＩｎＧａＡｓからなる量子井戸層３１を形成する。
【００７６】
さらに、Ａｌを含む原料ガスとして、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を用いて、エピタキシャル成長によりＡｌを含む第１の中間層３３Ａを形成する。
【００７７】
したがって、上記活性層２２を形成する場合と同様に、上述した量子井戸層３１を形成する工程から障壁層３２Ａを形成する工程へと切り替わる間に、Ａｌを含む原料ガス（ＴＭＡ）を用いて、Ａｌを含む第１の中間層３３Ａを形成することが可能である。
【００７８】
以上のように、本実施形態の半導体発光素子１では、上述した第１の中間層３３により量子井戸層３１と障壁層３２Ａとの界面での組成変化を急峻とすることで、量子井戸層３１へのキャリアの閉じ込め効果を改善し、この半導体発光素子１の発光効率を更に向上させることが可能である。
【００７９】
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００８０】
例えば、上記実施形態では、半導体発光素子として、赤外光を発するＬＥＤに本発明を適用した場合を例示しているが、赤外レーザー光を発するレーザーダイオード（ＬＤ）に本発明を適用することも可能である。さらに、赤外光以外の光を発するＬＥＤや、赤外レーザー光以外のレーザー光を発するＬＤに本発明を適用することも可能である。
【００８１】
また、このような半導体発光素子の用途としては、例えば、ドライバーモニタリング用の赤外光源として、人の顔画像を認識し、居眠りやよそ見を検知して警告するシステムに用いることが可能である。また、監視カメラや防犯カメラなどの照明や、ナイトビジョンなどの夜間照明として用いることができる。また、赤外ライトカーテンなどの光源として、侵入禁止エリアに人やモノが入ったときに検知するシステムに用いることができる。
【実施例】
【００８２】
以下、実施例により本発明の効果をより明らかなものとする。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
【００８３】
（実施例１）
先ず、実施例１の半導体発光素子について、図９及び図１０を参照しながら説明する。
なお、図９は、実施例１の半導体発光素子が備える基板及びエピタキシャル成長層の構成を示す断面模式図である。また、図９では、基板及びエピタキシャル成長層を構成する各層の組成及び厚み［ｎｍ］を示している。
図１０は、エピタキシャル成長層を構成する各層を形成する際の各原料ガスの供給を切り替える手順を示すシーケンス図である。また、図１０では、各層を形成する際に供給される原料ガスの流量［μｍｏｌ／ｍｉｎ］を示している。
また、以下の説明における「ｘ・ｅ・ｎ」（ｎは整数を表す。）という表記は、「ｘ×１０ｎ」を意味している。
【００８４】
実施例１では、図９に示すように、ＭＯＣＶＤを用いて、基板（ｗａｆｅｒ）の上に、第１のＣＳＬ層（ｎＣＳＬ）と、第１のクラッド層（ｎＣｌａｄ）と、第１のＳＣＨ層（ｎＳＣＨ）と、活性層（ＭＱＷ）と、第２のＳＣＨ層（ｐＳＣＨ）と、第２のクラッド層（ｐＣｌａｄ）と、第２のＣＳＬ層（ｐＣＳＬ）と、ｐ側コンタクト層（ｐｃｏｎｔａｃｔ）とを、エピタキシャル成長により順次積層した。
【００８５】
また、活性層（ＭＱＷ）として、６つの障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）と５つの量子井戸層（Ｗｅｌｌ）とを交互に積層した。なお、図９では、便宜上、２つの障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）の間に１つの量子井戸層（Ｗｅｌｌ）が挟み込まれた活性層（ＭＱＷ）のみを図示するものとする。
【００８６】
具体的には、先ず、ＧａＡｓからなる仮の基板を準備する。仮の基板の主面は、ＧａＡｓの（１００）面である。また、仮の基板には、Ｓｉがドープされてｎ型導電性が付与されており、その濃度は約１ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｍ−３である。
【００８７】
次に、この仮の基板の主面上に、液相エピタキシャル成長法（ＬＰＥ：Liquid Phase Epitaxy）を用いて、厚み２５０μｍのＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓを結晶成長させる。なお、このＡｌＧａＡｓ層のことを支持層と呼ぶことにする。
【００８８】
ＬＰＥには、主として温度差法と徐冷法とがある。ここでは、後述するように、温度差法を採用している。また、支持層の成長装置には、例えばスライドボート型のものを用いることができる。支持層には、Ｔｅの濃度が１ｅ１７ａｔｏｍ／ｃｍ−３となるように、成長中にＴｅがドープされている。
【００８９】
成長用溶液には、Ｇａ溶媒中にＧａＡｓ、Ａｌ及びＴｅを溶解させたものを用いている。メルト槽内に満たされた成長用溶液の上下方向の温度勾配は、約５℃／ｃｍである。種結晶が接触する成長用溶液の下部温度は８５０〜９５０℃である。なお、成長用溶液の下部温度及び温度勾配は、成長中ほぼ一定に保持されている。
【００９０】
次に、仮の基板をエッチングにより除去する。仮の基板は、アンモニア水と過酸化水素水とを体積比で１：２０に混合したエッチング液を用いたウェットエッチングにより除去する。このとき、支持層がエッチングストッパとして機能する。これにより、支持層のみが残る。
【００９１】
次に、支持層の表面を研削し、表面の凹凸を少なくする。さらに、研削された表面を研磨して加工ダメージを除去した後、化学機械研磨（ＣＭＰ）による最終仕上げを行う。一般に、温度差法で成長させた層は、徐冷法で成長させた層に比べて、表面の平坦性が悪い。ＣＭＰによる最終仕上げを行うことにより、表面の平坦性を高めることができる。
【００９２】
以上のような工程を経ることによって、上述した支持層（ＴｅドープＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ）からなる基板（ｗａｆｅｒ）を作製した。
【００９３】
次に、図１０に示すように、ＭＯＣＶＤを用いて、成長基板となる基板（ｗａｆｅｒ）の上に、エピタキシャル成長層を形成する。
【００９４】
なお、Ａｌの濃度が３０％のＡｌＧａＡｓは、酸素雰囲気下において、容易に酸化される。すなわち、Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓからなる基板（ｗａｆｅｒ）は、大気に曝されると、その表面が瞬時に酸化（自然酸化）される。このため、基板（ｗａｆｅｒ）は、窒素雰囲気中にて希釈したＨＣｌに浸漬し、表面の酸化膜を除去した後、大気に曝されないようにして、ＭＯＣＶＤ装置の内部に設置する。
【００９５】
具体的には、先ず、ＭＯＣＶＤ装置内で、Ｈ２を流しながら、成長圧力（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）を１０ｋＰａ、成長温度（Ｔｅｍｐｒｅｔｕｒｅ）を７００℃にした後に、ＡｓＨ３を８９００μｍｏｌ／ｍｉｎで５ｍｉｎ流す。なお、キャリアガスとバブリングガスは、成長中は全てＨ２である。また、基板（ｗａｆｅｒ）の表面の自然酸化膜を除去するため、ＡｓＨ３の還元雰囲気中で５分間の成長前熱処理を行う。このとき、基板（ｗａｆｅｒ）は６０ｒｐｍで回転している。
【００９６】
次に、III族元素の供給源として、ＴＭＧを４５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを７．９５μｍｏｌ／ｍｉｎで流しながら、Ｖ族元素の供給源として、ＡｓＨ３を２６５０μｍｏｌ／ｍｉｎで５２ｍｉｎ流す。また、III族元素と置換して、ｎ型を示す不純物のジエチルテルル（ＤＥＴｅ）を０．０４μｍｏｌ／ｍｉｎで５２ｍｉｎ流す。これにより、第１のＣＳＬ層（ｎＣＳＬ）として、厚み２０００ｎｍ、Ｔｅの濃度が８ｅ１６ａｔｏｍ／ｃｍ−３となるＴｅドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを形成した。
【００９７】
次に、III族元素の供給源として、ＴＭＧを４５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを１７．５μｍｏｌ／ｍｉｎで流しながら、Ｖ族元素の供給源として、ＡｓＨ３を３１３０μｍｏｌ／ｍｉｎで１３ｍｉｎ流す。また、III族元素と置換して、ｎ型を示す不純物のジエチルテルル（ＤＥＴｅ）を０．０５２μｍｏｌ／ｍｉｎで１３ｍｉｎ流す。これにより、第１のクラッド層（ｎＣｌａｄ）として、厚み５００ｎｍ、Ｔｅの濃度が１．５ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｍ−３となるＴｅドープＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓを形成した。
【００９８】
なお、第１のクラッド層（ｎＣｌａｄ）のＡｌ濃度を第１のＣＳＬ層（ｎＣＳＬ）よりも高くし、バンドギャップを大きくしているのは、キャリアのブロック層として機能させるためである。
【００９９】
次に、III族元素の供給源として、ＴＭＧを４５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを７．９５μｍｏｌ／ｍｉｎで流しながら、Ｖ族元素の供給源として、ＡｓＨ３を２６５０μｍｏｌ／ｍｉｎで１３ｍｉｎ流す。これにより、第１のＳＣＨ層（ｎＳＣＨ）として、厚み５００ｎｍとなるノンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを形成した。
【０１００】
次に、III族元素の供給源として、ＴＭＧを２６μｍｏｌ／ｍｉｎで流しながら、Ｖ族元素の供給源として、ＡｓＨ３を２５２０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＰＨ３を７８６０μｍｏｌ／ｍｉｎで２０ｓｅｃ流す。これにより、障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）として、厚み１０ｎｍとなるノンドープＧａＡｓ０．９Ｐ０．１を形成した。
【０１０１】
なお、障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）については、後述する量子井戸層（Ｗｅｌｌ）がＧａＡｓよりも格子定数が大きいＩｎＧａＡｓからなるため、この量子井戸層（Ｗｅｌｌ）が臨界膜厚以上となるように、ＧａＡｓよりも格子定数が小さいＧａＡｓＰにより形成した。また、障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）は、Ｐの濃度が１０％のＧａＡｓＰとした。
【０１０２】
次に、障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）を形成した後に、ＴＭＧ及びＰＨ３の供給を停止し、ＡｓＨ３を瞬時に６１３０μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して０．５ｓｅｃ流した後に、ＴＭＡを７．４μｍｏｌ／ｍｉｎで０．５ｓｅｃ流すことによって、Ａｌを含む第２の中間層（Ａｌｍｌ２）を形成した。
【０１０３】
次に、ＴＭＡの供給を停止し、Ｖ族元素の供給源として、ＡｓＨ３を６１３０μｍｏｌ／ｍｉｎで流しながら、０．５ｓｅｃ後に、III族元素の供給源として、ＴＭＧを２６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩを４．９μｍｏｌ／ｍｉｎで２０ｓｅｃ流す。これにより、量子井戸層（ｗｅｌｌ）として、厚み１０ｎｍとなるノンドープＩｎ０．１３Ｇａ０．８７Ａｓを形成した。
【０１０４】
次に、量子井戸層（ｗｅｌｌ）を形成した後に、ＴＭＧ及びＴＭＩの供給を停止し、ＡｓＨ３を瞬時に２５２０μｍｏｌ／ｍｉｎに変更して０．５ｓｅｃ流した後に、ＴＭＡを７．４μｍｏｌ／ｍｉｎで０．５ｓｅｃ流すことによって、Ａｌを含む第１の中間層（Ａｌｍｌ１）を形成した。
【０１０５】
次に、ＴＭＡの供給を停止し、Ｖ族元素の供給源として、ＡｓＨ３を２５２０μｍｏｌ／ｍｉｎで流しながら、０．５ｓｅｃ後に、III族元素の供給源として、ＴＭＧを２６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＰＨ３を７８６０μｍｏｌ／ｍｉｎで２０ｓｅｃ流す。これにより、障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）として、厚み１０ｎｍとなるノンドープＧａＡｓ０．９Ｐ０．１を形成した。
【０１０６】
そして、上述した工程を繰り返しながら、活性層（ＭＱＷ）として、最下層に位置する障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）と、最上層に位置する障壁層（Ｗｅｌｌ）との間で、６つの障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）と５つの量子井戸層（Ｗｅｌｌ）とを交互に積層した。また、障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）と量子井戸層（Ｗｅｌｌ）との各間にＡｌを含む第２の中間層（Ａｌｍｌ２）と、量子井戸層（Ｗｅｌｌ）と障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）との各間にＡｌを含む第１の中間層（Ａｌｍｌ１）とを形成した。
【０１０７】
次に、III族元素の供給源として、ＴＭＧを４５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを７．９５μｍｏｌ／ｍｉｎで流しながら、Ｖ族元素の供給源として、ＡｓＨ３を２６５０μｍｏｌ／ｍｉｎで１３ｍｉｎ流す。これにより、第２のＳＣＨ層（ｐＳＣＨ）として、厚み５００ｎｍとなるノンドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを形成した。
【０１０８】
次に、III族元素の供給源として、ＴＭＧを４５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを１７．５μｍｏｌ／ｍｉｎで流しながら、Ｖ族元素の供給源として、ＡｓＨ３を３１３０μｍｏｌ／ｍｉｎで１３ｍｉｎ流す。また、Ｖ族元素と置換して、ｐ型を示す不純物の四臭化炭素（ＣＢｒ４）を１．４８μｍｏｌ／ｍｉｎで１３ｍｉｎ流す。これにより、第２のクラッド層（ｐＣｌａｄ）として、厚み５００ｎｍ、Ｃの濃度が８ｅ１７ａｔｏｍ／ｃｍ−３となるＣドープＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓを形成した。
【０１０９】
次に、III族元素の供給源として、ＴＭＧを４５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを７．９５μｍｏｌ／ｍｉｎで流しながら、Ｖ族元素の供給源として、ＡｓＨ３を２６５０μｍｏｌ／ｍｉｎで４ｍｉｎ流す。また、Ｖ族元素と置換して、ｐ型を示す不純物の四臭化炭素（ＣＢｒ４）を２．３８μｍｏｌ／ｍｉｎで４ｍｉｎ流す。これにより、第２のＣＳＬ層（ｐＣＳＬ）として、厚み１５０ｎｍ、Ｃの濃度が８ｅ１７ａｔｏｍ／ｃｍ−３となるＣドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを形成した。
【０１１０】
次に、成長温度（Ｔｅｍｐｒｅｔｕｒｅ）を５５０℃に下げた後、III族元素の供給源として、ＴＭＧを８５．３μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＡを１４．７μｍｏｌ／ｍｉｎで流しながら、Ｖ族元素の供給源として、ＡｓＨ３を４５０μｍｏｌ／ｍｉｎで９０ｓｅｃ流す。また、Ｖ族元素と置換して、ｐ型を示す不純物の四臭化炭素（ＣＢｒ４）を１４μｍｏｌ／ｍｉｎで９０ｓｅｃ流す。これにより、ｐ側コンタクト層（ｐｃｏｎｔａｃｔ）として、厚み１００ｎｍ、Ｃの濃度が１ｅ２０ａｔｏｍ／ｃｍ−３となるＣドープＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを形成した。
【０１１１】
なお、ｐ側コンタクト層（ｐｃｏｎｔａｃｔ）の上には、上述したＩＴＯからなるｐ側コンタクト電極５が形成されるため、良好な接触抵抗を得るためには高濃度の不純物が必要である。このため、ＡｓＨ３を４５０μｍｏｌ／ｍｉｎまで下げ、Ｃの濃度を１ｅ２０ａｔｏｍ／ｃｍ−３としている。
【０１１２】
以上の工程を経ることによって、基板（ｗａｆｅｒ）の上に、エピタキシャル成長層を形成した。実施例１では、このエピタキシャル成長層が形成された基板（ｗａｆｅｒ）を用いて、上記図１に示す半導体発光素子１と同様の構成を有する半導体発光素子を作製した。
【０１１３】
（比較例１）
比較例１では、上述した障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）を形成する工程と、量子井戸層（Ｗｅｌｌ）を形成する工程との間で、ＴＭＡの供給を行わずに、活性層（ＭＱＷ）を形成した以外は、実施例１と同様の半導体発光素子を作製した。
【０１１４】
すなわち、比較例１では、第１の中間層（Ａｌｍｌ１）及び第２の中間層（Ａｌｍｌ２）を形成する工程を省略した以外は、実施例１の半導体発光素子と同じ条件にて半導体発光素子を作製した。
【０１１５】
そして、これら実施例１及び比較例１の半導体発光素子について、出力（Ｗ）［ｍＷ］、順方向電圧（Ｖｆ）［Ｖ］、発振波長（Λｐ）［ｎｍ］を測定した結果を下記表１に示す。
【０１１６】
【表１】
2020102494.tif 000003
【０１１７】
表１に示すように、実施例１の半導体発光素子は、比較例１の半導体発光素子よりも出力Ｗが高く、約８％の出力向上が確認された。また、実施例１の半導体発光素子は、比較例１の半導体発光素子よりも順方向電圧（Ｖｆ）が低く抑えられていることがわかる。さらに、実施例１の半導体発光素子は、比較例１の半導体発光素子よりも発振波長（Λｐ）が高くなっていることがわかる。
【０１１８】
（実施例２）
次に、実施例２のサンプルについて、図１１〜図１５を参照しながら説明する。
なお、図１１は、サンプルの構成を示す断面模式図である。図１２は、サンプルのＳＩＭＳ分析による測定結果を示すグラフである。図１３は、実施例２及び比較例２のサンプルにおけるＩｎの組成変化を測定した結果を示すグラフである。図１４は、図１３中に示すグラフの一部を拡大したグラフである。図１５は、サンプルの活性層を構成する各層のエネルギー準位を示す模式図である。
【０１１９】
実施例２では、先ず、図１１に示すように、サンプルとして、ＭＯＣＶＤを用いて、基板（ｗａｆｅｒ）の上に、第１のＳＣＨ層（ｎＳＣＨ）と、活性層（ＭＱＷ）と、第２のＳＣＨ層（ｐＳＣＨ）とを、エピタキシャル成長により順次積層したサンプルを作製した。
【０１２０】
また、サンプルは、図１１中に示すような組成及び厚み［ｎｍ］を有している。すなわち、このサンプルは、第１のＳＣＨ層（ｎＳＣＨ）及び第２のＳＣＨ層（ｐＳＣＨ）の組成が「ノンドープＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ」となっている以外は、実施例１と同じ活性層（ＭＱＷ）を有しており、実施例１と同じ条件にてサンプルを作製した。
【０１２１】
したがって、実施例２の活性層（ＭＱＷ）は、６つの障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）と５つの量子井戸層（Ｗｅｌｌ）とが交互に積層され、量子井戸層（Ｗｅｌｌ）と障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）との各間にＡｌを含む第１の中間層（Ａｌｍｌ１）と、障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）と量子井戸層（Ｗｅｌｌ）との各間にＡｌを含む第２の中間層（Ａｌｍｌ２）とが設けられている。
【０１２２】
次に、得られたサンプルの活性層（ＭＱＷ）のＳＩＭＳ分析による測定結果を図１２に示す。なお、本測定では、「Ｉｎ０．５３Ｇａ０．４７Ａｓ」及び「Ａｌ０．３１Ｇａ０．６９Ａｓ」を標準試料として、定量測定により組成比を求めた。
【０１２３】
実施例２では、図１２に示すように、Ａｌの組成比０．１を基準にして、縦線を引き、各層の組成について検討を行った。
【０１２４】
図１２に示す測定結果から、ＧａＡｓ０．８Ｐ０．１からなる障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）を形成した後、ＴＭＡの供給によりＡｌを含む第２の中間層（Ａｌｍｌ２）が形成され、Ｉｎ０．１３Ｇａ０．８７Ｓからなる量子井戸層（ｗｅｌｌ）を形成した後に、ＴＭＡの供給によりＡｌを含む第１の中間層（Ａｌｍｌ１）とが形成されたことを確認した。
【０１２５】
このうち、第１の中間層（Ａｌｍｌ１）は、Ｐ及びＡｓの組成比を求める別途のＳＩＭＳ分析結果と併せて検討したところ、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎＡｓ、Ｐの混晶により形成された厚み２ｎｍの（Ａｌ０．１２Ｇａ０．８１Ｉｎ０．０７Ａｓ）０．９１Ｐ０．０９からなると考えられる。第１の中間層（Ａｌｍｌ１）は、第２の中間層（Ａｌｍｌ２）に比べてＩｎの濃度が高く、このＩｎの濃度は、量子井戸層（ｗｅｌｌ）側から障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）側に向かって低くなっている。
【０１２６】
したがって、第１の中間層（Ａｌｍｌ１）では、量子井戸層（ｗｅｌｌ）の結晶成長の後に、この量子井戸層（ｗｅｌｌ）に取り込まれていないＩｎ原子が７％ほどＡｌによって取り込まれたと考えられる。また、第１の中間層（Ａｌｍｌ１）は、Ｉｎ原子を取り込むことによって、その後に結晶成長させる障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）へのＩｎ原子の取り込みとＩｎ原子の拡散とを防止する機能を果たしているものと考えられる。
【０１２７】
一方、第２の中間層（Ａｌｍｌ２）は、Ｐ及びＡｓの組成比を求める別途のＳＩＭＳ分析結果と併せて検討したところ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ、Ｐの混晶により形成された厚み２ｎｍの（Ａｌ０．１２Ｇａ０．８５Ｉｎ０．０３Ａｓ）０．９６Ｐ０．０４からなると考えられる。第２の中間層（Ａｌｍｌ２）は、第１の中間層に比べてＩｎの濃度が低く、このＩｎの濃度は、量子井戸層（ｗｅｌｌ）側から障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）側に向かって低くなっている。
【０１２８】
したがって、第２の中間層（Ａｌｍｌ２）では、Ａｌ原子を供給した後にＩｎ原子が供給されるため、第１の中間層（Ａｌｍｌ１）ほどＩｎ原子の取り込みは見られないが、Ｉｎの３％程度の取り込みが見られた。また、第２の中間層（Ａｌｍｌ２）は、その後に結晶成長させる量子井戸層（ｗｅｌｌ）から障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）へのＩｎ原子の拡散を防止する機能を果たしているものと考えられる。
【０１２９】
なお、第２の中間層（Ａｌｍｌ２）では、Ｐの濃度が極めて低く、第１の中間層におけるＰの濃度よりも低い。
また、第１の中間層（Ａｌｍｌ１）及び第２の中間層（Ａｌｍｌ２）では、Ａｌ濃度の増加と、Ｇａ濃度の減少とが対応している。
また、第１の中間層（Ａｌｍｌ１）及び第２の中間層（Ａｌｍｌ２）では、何れもＡｌ濃度がＩｎ濃度よりも大きい。
また、二次イオン強度の結果より、Ａｓ及びＰのそれぞれの増減を確認することができた。
また、量子井戸構造の両側に、Ａｌの組成比が０．１以上を示す層が確認できるが、ＴＭＡの供給を切り替えたときに意図せずに形成された層であり、第１のＳＣＨ層（ｎＳＣＨ）及び第２のＳＣＨ層（ｐＳＣＨ）の一部と捉えている。
【０１３０】
次に、上記実施例２のサンプルについて、活性層（ＭＱＷ）におけるＩｎの組成変化をＳＩＭＳ分析により測定した結果を図１３及び図１４中の実線で示す。
【０１３１】
（比較例２）
また、比較例２として、上述した障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）を形成する工程と、量子井戸層（Ｗｅｌｌ）を形成する工程との間で、ＴＭＡの供給を行わず、活性層（ＭＱＷ）を形成したサンプルを作製した。そして、この比較例２のサンプルについて、活性層（ＭＱＷ）におけるＩｎの組成変化をＳＩＭＳ分析により測定した結果を図１３及び図１４中の破線で示す。
【０１３２】
図１３及び図１４に示すように、実施例２のサンプルでは、比較例２のサンプルに比べて、量子井戸層（Ｗｅｌｌ）と障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）との界面でのＩｎの組成変化が急峻であることわかる。また、第１の中間層（Ａｌｍｌ１）及び第２の中間層（Ａｌｍｌ２）により障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）へのＩｎの混入や拡散を抑制し、所定量のＩｎ組成を有する量子井戸層（Ｗｅｌｌ）を形成することができたものと考えられる。したがって、実施例２のサンプルでは、比較例２のサンプルに比べて、量子井戸層（Ｗｅｌｌ）へのキャリアの閉じ込め効果を高めることによって、高い出力を得ることが可能である。
【０１３３】
次に、上記実施例２のサンプルについて、活性層（ＭＱＷ）を構成する各層について見積もったエネルギー準位を図１５に示す。
【０１３４】
量子井戸層（Ｗｅｌｌ）のＩｎ０．１３Ｇａ０．８７Ａｓのバンドギャップは、１．３１７ｅＶ、障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）のＧａＡｓ０．９Ｐ０．１のバンドギャップは、１．５４７ｅＶと見積もることができた。
【０１３５】
第１の中間層（Ａｌｍｌ１）の（Ａｌ０．１２Ｇａ０．８１Ｉｎ０．０７Ａｓ）０．９１Ｐ０．０９のバンドギャップは、１．６０３ｅＶ、第２の中間層（Ａｌｍｌ２）の（Ａｌ０．１２Ｇａ０．８５Ｉｎ０．０３Ａｓ）０．９６Ｐ０．０４のバンドギャップは、１．５８６ｅＶと見積もることができた。
【０１３６】
以下、バンドギャップの算出方法について説明する。
先ず、ＧａＡｓのバンドギャップは、１．４２４ｅＶである。ＡｌＡｓのバンドギャップは、２．１６８ｅＶである。ＩｎＡｓのバンドギャップは、０．３５４ｅＶである。ＧａＰのバンドギャップは、２．２６ｅＶである。
【０１３７】
ここで、ＧａＡｓ−ＡｌＡｓ混晶系においては、Ａｌ組成が０．４５未満である場合は直接遷移型、Ａｌ組成が０．４５以上である場合は間接遷移型のため、バンドギャップと組成比との関係を示す図においては、Ａｌ組成が０．４５近傍で変曲点を有する。また、第１の中間層（Ａｌｍｌ１）及び第２の中間層（Ａｌｍｌ２）は、何れもＡｌ組成が０．４５未満である。
【０１３８】
そこで、第１の中間層（Ａｌｍｌ１）及び第２の中間層（Ａｌｍｌ２）のバンドギャップの算出においては、Ａｌ組成が０．４５未満である直接遷移領域のバンドギャップを近似した直線により、Ａｌ組成が１．０の場合である２．６７１ｅＶを、ＡｌＡｓのバンドギャップとして用いた。
【０１３９】
また、ＩｎＡｓ−ＧａＰ混晶系においても、Ｐの組成が０．４５未満である場合は直接遷移型、Ｐ組成が０．４５以上である場合は間接遷移型のため、バンドギャップと組成比との関係を示す図において、Ｐ組成が０．４５近傍で変曲点を有する。また、障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）、第１の中間層（Ａｌｍｌ１）及び第２の中間層（Ａｌｍｌ２）は、何れもＰ組成が０．４５未満である。
【０１４０】
そこで、障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）、第１の中間層（Ａｌｍｌ１）及び第２の中間層（Ａｌｍｌ２）のバンドギャップの算出においては、Ｐ組成が０．４５未満である直接遷移領域のバンドギャップを近似した直線により、Ｐ組成が１．０の場合である２．６５２９ｅＶを、ＧａＰのバンドギャップとして用いた。
【０１４１】
すなわち、ＧａＡｓのバンドギャップ（Ｅｇ（ＧａＡｓ））は、１．４２４ｅＶ、ＡｌＡｓのバンドギャップ（Ｅｇ（ＡｌＡｓ））は、２．６７１ｅＶ、ＩｎＡｓのバンドギャップ（Ｅｇ（ＩｎＡｓ））は、０．３５４ｅＶ、ＧａＰのバンドギャップ（Ｅｇ（ＧａＰ））は、２．６５２９ｅＶとして、以下の算出を行った。
【０１４２】
第１の中間層（Ａｌｍｌ１）は、（Ａｌ０．１２Ｇａ０．８１Ｉｎ０．０７Ａｓ）０．９１Ｐ０．０９ であることから、下記式（１）により、この第１の中間層（Ａｌｍｌ１）のバンドキャップ（Ｅｇ１）を求めることができる。
Ｅｇ１＝（０．１２×Ｅｇ（ＡｌＡｓ）＋０．８１×Ｅｇ（ＧａＡｓ）＋０．０７×Ｅｇ（ＩｎＡｓ））×０．９１＋０．０９×Ｅｇ（ＧａＰ）  …（１）  
【０１４３】
Ｅｇ１＝（０．３２０５１＋１．１５３４４＋０．０２４７８）×０．９１＋０．２３８７６１＝１．６０２６１４  
【０１４４】
第２の中間層（Ａｌｍｌ２）は、（Ａｌ０．１２Ｇａ０．８５Ｉｎ０．０３Ａｓ）０．９６Ｐ０．０４であることから、下記式（２）により、この第２の中間層（Ａｌｍｌ２）のバンドキャップ（Ｅｇ２）を求めることができる。
Ｅｇ２＝（０．１２×Ｅｇ（ＡｌＡｓ）＋０．８５×Ｅｇ（ＧａＡｓ）＋０．０３×Ｅｇ（ＩｎＡｓ））×０．９６＋０．０４×Ｅｇ（ＧａＰ）  …（２）  
【０１４５】
Ｅｇ２＝（０．３２０５１＋１．２１０４＋０．０１０６２）×０．９６＋０．１０６１１６＝１．５８５９９４  
【０１４６】
すなわち、第１の中間層（Ａｌｍｌ１）及び第２の中間層（Ａｌｍｌ２）は、障壁層（ｂａｒｒｉｅｒ）よりも広いバンドギャップを有している。これにより、量子井戸層（Ｗｅｌｌ）のバンドギャップの揺らぎを抑制することができるため、量子井戸層（Ｗｅｌｌ）へのキャリアの閉じ込め効果を維持することができると考えられる。
【符号の説明】
【０１４７】
１…半導体発光素子  ２…基板  ３…エピタキシャル成長層  ４…絶縁層  ５…ｐ側コンタクト電極  ６…反射層  ７…第１の保護層  ８…第２の保護層  ９…第３の保護層  １０…全反射抑制層  １１…ｎ側コンタクト電極  １２…パッド電極  ２１…第１のクラッド層  ２２，２２Ａ，２２Ｂ…活性層  ２３…第２のクラッド層  ２４…第１のＳＣＨ層  ２５…第２のＳＣＨ層  ２６…第１のＣＳＬ層  ２７…第２のＣＳＬ層  ２８…ｐ側コンタクト層  ３１…量子井戸層  ３２，３２Ａ…障壁層  ３３Ａ…第１の中間層  ３３Ｂ…第２の中間層
【図１】
2020102494.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2020102494.tif 000010
【図８】
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【図９】
2020102494.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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