(57)【要約】【課題】光出力を維持しつつ逆耐圧Vrのウエハ面内ばらつきを抑え、高い歩留りを確保することができるAlGaInP系半導体発光装置を提供する【解決手段】  AlGaInPからなる活性層と、活性層を挟むように設けられ活性層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層と、を含む半導体膜を有する。ｎ型クラッド層は、AlGaInPからなる第１のｎ型クラッド層とAlInPからなる第２のｎ型クラッド層とを含み、第２のｎ型クラッド層の層厚は４０〜２００ｎｍである。【選択図】図１
2011151190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
AlGaInPからなる活性層と、前記活性層を挟むように設けられ前記活性層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層と、を含む半導体膜を有する半導体発光装置であって、
前記ｎ型クラッド層は、AlGaInPからなる第１のｎ型クラッド層とAlInPからなる第２のｎ型クラッド層とを含み、前記第２のｎ型クラッド層の層厚が４０〜２００ｎｍであることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
前記第２のｎ型クラッド層は、構成元素が規則的に配列する自然超格子構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項３】
前記第２のｎ型クラッド層は前記活性層上に形成され、前記第１のｎ型クラッド層は前記第２のｎ型クラッド層上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項４】
前記第１のｎ型クラッド層は前記活性層上に形成され、前記第２のｎ型クラッド層は前記第１のｎ型クラッド層上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項５】
前記第２のｎ型クラッド層は、２つの前記第１クラッド層の間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項６】
前記第１のｎ型クラッド層および前記第２のｎ型クラッドは、交互に繰り返して積層されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
【請求項７】
前記半導体膜は、金属層を介して支持基板と接合されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載の半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、LED（発光ダイオード）等の半導体発光装置に関し、特にAlGaInP系半導体膜を有する半導体発光装置に関する。
【従来技術】
【０００２】
AlGaInP系LEDは、発光効率の向上により自動車用リアコンビネーションランプなどの表示・照明用光源として用途が拡大している。AlGaInP系LEDの構造は、概ね以下のようなものである。半導体膜の結晶成長に用いる成長用基板にはGaAs基板を用いることができる。GaAs基板上にバッファ層、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層が積層される。活性層は、例えばAlGaInPやInGaPからなる量子井戸構造である。クラッド層の組成は、例えば（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5Pであり、ドーパントは、ｐ型クラッド層ではZnやMg等が使用され、ｎ型クラッド層ではSi、Te、Se等が使用される。いずれの場合も、クラッド層のAl組成は、活性層に対して高くなるように設定する。
【０００３】
一般的なAlGaInP系LEDでは、クラッド層のキャリア閉じ込め効果をより効果的に働かせるために、活性層とクラッド層のバンドギャップ差を確保することが重要である。特に、黄色から緑色の発光色を有するLEDでは、活性層のバンドギャップが大きくなるため、クラッド層のAl組成を高くすることが必要である。
【０００４】
特許文献１には、ｐ型クラッド層をIn0.49（GaxAl1-x）0.51P（0≦ｘ≦0.15）からなる第１層と、In0.49（GaｙAl1-ｙ）0.51P（0.2≦y≦1）からなる第２層とにより構成し、第１層の厚さを０．０５〜０．２μｍとすることにより発光効率を向上できる旨が記載されている。
【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２００４−３０４０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のAlGaInP系LEDにおいて、成長用基板の所定の結晶軸に対する結晶面の傾き（以下、オフ角という）や半導体膜の成長条件によっては逆耐圧Vrがウエハ面内において大きくばらつき、不良率が高いといった問題があった。本発明者らは、AlGaInP系LEDにおいて見られる逆耐圧Vrのばらつきは、ｎ型クラッド層内に形成される自然超格子に起因するものであることを見出した。すなわち、ｎ型クラッド層内に形成されるAl原子の規則配列が逆耐圧Vrに影響を及ぼしているものと推定した。本発明者らは、逆耐圧Vrのばらつきを抑えるためには、自然超格子の発生を抑制することが必要であると考え、また光出力をも考慮してｎ型クラッド層の層構造を検討した。
【０００７】
本発明は、光出力を維持しつつ逆耐圧Vrのウエハ面内ばらつきを抑え、高い歩留りを確保することができるAlGaInP系半導体発光装置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】
【０００８】
本発明の半導体発光装置は、AlGaInPからなる活性層と、前記活性層を挟むように設けられ前記活性層のバンドギャップよりも大きいバンドギャップを有するｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層と、を含む半導体膜を有する半導体発光装置であって、前記ｎ型クラッド層は、AlGaInPからなる第１のｎ型クラッド層とAlInPからなる第２のｎ型クラッド層とを含み、前記第２のｎ型クラッド層の層厚が４０〜２００ｎｍであることを特徴としている。
【０００９】
前記第２のｎ型クラッド層は前記活性層上に形成され、前記第１のｎ型クラッド層は前記第２のｎ型クラッド層上に形成されていてもよい。
【００１０】
また、前記第１のｎ型クラッド層は前記活性層上に形成され、前記第２のｎ型クラッド層は前記第１のｎ型クラッド層上に形成されていてもよい。
【００１１】
また、前記第２のｎ型クラッド層は、２つの前記第１クラッド層の間に設けられていてもよい。
【００１２】
また、前記第１および第２クラッド層が交互に繰り返して積層されていてもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の半導体発光装置によれば、AlGaInP系半導体発光装置において、成長用基板の結晶面のオフ角や成長条件にかかわらず、光出力を損なうことなく自然超格子に起因する逆耐圧Vrの不良率を低減し、安定して高歩留りを確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例に係る半導体発光装置の構成を示す断面図である。
【図２】比較例１に係る半導体発光装置の構成を示す断面図である。
【図３】比較例２に係る半導体発光装置の構成を示す断面図である。
【図４】比較例１に係る半導体発光装置の逆耐圧Vrのウエハ面内ばらつきを示す図である。
【図５】比較例２に係る半導体発光装置の逆耐圧Vrのウエハ面内ばらつきを示す図である。
【図６】本発明の実施例に係る半導体発光装置において、第２のｎ型クラッド層の層厚を変化させたときの逆耐圧不良率および光出力の推移を示した図である。
【図７】本発明の実施例に係る半導体発光装置の逆耐圧Vrのウエハ面内ばらつきを示す図である。
【図８】本発明の他の実施例に係る半導体発光装置の構成を示す断面図である。
【図９】本発明の他の実施例に係る半導体発光装置の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の他の実施例に係る半導体発光装置の構成を示す断面図である。
【図１１】AlGaInP系半導体発光装置において、成長用基板の結晶面のオフ角を変化させたときの逆耐圧Vrの不良率の推移を示した図である。
【図１２】AlGaInP系半導体発光装置において、成長用基板の結晶面のオフ角を変化させたときのバンドギャップの推移を示した図である。
【図１３】AlGaInP系半導体発光装置において、成長用基板の結晶面のオフ角を変化させたときの（AlZsGa1-Zs）の組成比の推移を示した図である。
【図１４】AlGaInP系半導体発光装置において、V/III比を変化させたときのバンドギャップの推移を示した図である。
【図１５】ｐ型クラッド層の組成をAl0.5In0.5Pとし、ｎ型クラッド層の組成を（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5Pとした場合の逆耐圧Vrのウエハ面内ばらつきを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明者らは、AlGaInP系半導体発光装置において逆耐圧Vr不良が発生する原因は、ｎ型クラッド層内に形成される自然超格子によるものであるとの知見を得た。この点について以下に詳述する。自然超格子とは、AlGaInP系III−Ｖ族半導体でみられる特異な現象であり、III族副格子点上で形成されるIII族原子（In、Ga、Al）の秩序構造をいう。これらの元素のうちAl原子の規則配列が逆耐圧Vrのウエハ面内ばらつきを引き起こしているものと考えられる。原子の秩序度は、半導体膜の成長温度、V/III比、成長速度などの成長条件や、結晶成長に用いるGaAs基板の結晶面のオフ角によっても大きく変化する。自然超格子が形成され易い条件でAlGaInPからなる半導体膜を形成すると、規則的に配列されたAl原子の配列構成がウエハ面内にランダムに存在することとなる。そのような場合、半導体膜に逆バイアスを加えるとAl配列構成に起因して電流が流れるため、逆耐圧Vrが低下すると考えられる。そして、ウエハをプローブテストしたときに逆耐圧不良（逆耐圧ばらつき）として顕在化すると考えられる。AlGaInP系半導体発光装置において、ｎ型クラッド層をAl組成比が比較的高いAl0.5In0.5Pの単層で構成した場合、Al原子の規則配列による逆耐圧Vr不良がより顕著となることが後述する比較例１に係る半導体発光装置の評価結果より明らかとなった。一方、ｎ型クラッド層をAl組成比の比較的低い（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5Pの単層で構成した場合、逆耐圧Vr不良は大幅に改善される一方、大電流領域においてホールのオーバフローが大きくなり、光出力が比較例１に係る半導体発光装置よりも低下してしまうことが後述する比較例２に係る半導体発光装置の評価結果により明らかとなった。
【００１６】
本発明者らは、逆耐圧Vr不良がｎ型クラッド層内に形成される自然超格子（Al原子の規則配列）に起因すること、および上記した比較例１および比較例２に係る半導体発光装置の評価結果に基づいて、光出力を維持しつつ逆耐圧Vrのウエハ面内ばらつきを低減できる構造を見出した。より具体的には、ｎ型クラッド層をAlGaInPからなる第１のｎ型クラッド層とAlInPからなる第２のｎ型クラッド層の２層構造またはこれらの層を繰り返して積層する多層構造とし、第２のｎ型クラッド層の層厚の最適化を行った。
【００１７】
（実施例）
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。尚、以下に示す図において、実質的に同一又は等価な構成要素、部分には同一の参照符を付している。
【００１８】
図１は、本発明の実施例である半導体発光装置１の構造を示す断面図である。半導体発光装置１は、AlGaInP系材料からなる半導体膜１０が、結晶成長に用いられる成長用基板とは別個に用意された導電性支持基板３０に反射兼電極層１８を介して接合されるいわゆる貼り合わせ構造を有する。
【００１９】
半導体膜１０は、第１のｎ型クラッド層１１ａおよび第２のｎ型クラッド層１１ｂからなるｎ型クラッド層１１、活性層１２、ｐ型クラッド層１３を含む。活性層１２は、第２のｎ型クラッド層１１ｂとｐ型クラッド層１３の間に設けられている。活性層１２は、例えば、量子井戸構造であり、井戸層と障壁層の組成および層厚は、それぞれ（Al0.15Ga0.85）0.5In0.5P及び１８ｎｍ、（Al0.5Ga0.5）0.5In0.5P及び１０ｎｍであり、井戸数は例えば３０である。第１のｎ型クラッド層１１ａの組成は、例えば（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5Pであり、第２のｎ型クラッド層１１ｂの組成は、例えばAl0.5In0.5Pである。第１および第２のｎ型クラッド層１１ａ、１１ｂの合計の層厚は、例えば３μｍであり、このうち第２のｎ型クラッド層１１ｂの層厚は、４０〜２００ｎｍに設定される。ｐ型クラッド層１３の組成は、例えば（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5Pであり、層厚は例えば１μｍである。第１および第２のｎ型クラッド層１１ａ、１１ｂとｐ型クラッド層１３は、これら各層のバンドギャップが活性層１２のバンドギャップよりも大きく、活性層１２との境界において電位障壁を形成するように機能する。
【００２０】
半導体膜１０は、更に、ｐ型中間層１４、ｐ型透明導電層１５およびｐ型コンタクト層１６を含んでいる。ｐ型中間層１４は、例えば（Al0.5Ga0.3）0.5In0.5Pからなり、層厚は２０ｎｍである。ｐ型透明導電層１５およびｐ型コンタクト層１６は、例えばGa0.95In0.05Pからなり、層厚は、それぞれ１０μｍおよび０．５μｍである。
【００２１】
ｐ型コンタクト層１６上には、部分的に開口されたＳｉＯ２等からなる絶縁層１７が形成される。絶縁層１７は、導電性支持基板３０側から流入する電流の流れを規制することにより半導体膜１０内の電流分布を均一にする役割を担う。ｐ型コンタクト層１６は、絶縁層１７の開口部において反射兼電極層１８と接合している。反射兼電極層１８は、ｐ型コンタクト層１６との間でオーミック性接触を形成することができ、且つ光反射性を有する材料、例えばAuZnにより構成される。反射兼電極層１８は、活性層１２から放射された光を光取り出し面側に反射させるとともに、電極としての機能を有する。反射兼電極層１８に隣接して例えばTaN/TiW/TaNからなるバリアメタル層１９が設けられ、バリアメタル層１９に隣接して例えばNiAuからなる接合層２０が設けられる。接合層２０は、半導体膜１０と導電性支持基板３０とを貼り合わせるための層である。導電性支持基板３０は、例えばシリコン基板であり、両面に例えばＰｔからなるオーミック金属層３１が形成され、AuSn等からなる密着層３２および接合層２０を介して半導体膜１０と接合される。
【００２２】
次に、上記した本発明の実施例に係る半導体発光装置の第２のｎ型クラッド層の層厚を決定するために用意した検討用サンプルを製造方法と共に以下に示す。
【００２３】
半導体膜１０は、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により形成した。半導体膜１０の結晶成長に用いる成長用基板として（１００）面から[０１１]方向に４°傾斜させたｎ型ＧａＡｓ基板（すなわち、４°オフ基板）を使用した。ＧａＡｓ基板上に第１のｎ型クラッド層１１ａおよび第２のｎ型クラッド層１１ｂを順次形成した。第１のｎ型クラッド層１１ａの組成を（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5Pとし、第２のｎ型クラッド層１１ｂの組成をAl0.5In0.5Pとした。第１および第２のｎ型クラッド層の全体の層厚を３μｍに固定し、これらの各層の層厚の配分を変えた複数の種類のサンプルを作製した。具体的には、第１および第２クラッド層の層厚をそれぞれ（２９８０ｎｍ、２０ｎｍ）、（２９５０ｎｍ、５０ｎｍ）、（２９００ｎｍ、１００ｎｍ）、（２８００ｎｍ、２００ｎｍ）、（２５００ｎｍ、５００ｎｍ）とした５種類のサンプルを作製した。
【００２４】
第２のｎ型クラッド層１１ｂ上に量子井戸構造の活性層１２を形成した。井戸層と障壁層の組成および層厚をそれぞれ（Al0.15Ga0.85）0.5In0.5Pおよび１８ｎｍ、（Al0.5Ga0.5）0.5In0.5P及び１０ｎｍとし、井戸数を３０とした。活性層１２の上にｐ型クラッド層１３を積層した。ｐ型クラッド層１３の組成を（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5Pとし、層厚を１μｍとした。ｐ型クラッド層１３上に（Al0.5Ga0.3）0.5In0.5Pからなる層厚２０ｎｍのｐ型中間層１４を形成した。ｐ型中間層１４上にｐ型透明導電層１５およびｐ型コンタクト層１６を形成した。ｐ型透明導電層１５およびｐ型コンタクト層１６の組成は共に、Ga0.95In0.05Pであり、層厚をそれぞれ１０μｍおよび０．５μｍとした。これらの各層により半導体膜１０が構成される。尚、V族原料としてホスフィン（PH3）を使用し、III族原料として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）の有機金属を使用した。また、ｎ型不純物であるSiの原料としてシラン（SiH4）を使用し、ｐ型不純物であるZnの原料としてジメチルジンク（DMZn）を使用した。成長温度は７５０〜８５０℃であり、キャリアガスに水素を使用し、成長圧力は１０ｋＰａとした。
【００２５】
続いて、ＣＶＤ法によりｐ型コンタクト層１６上にSiO2からなる絶縁層１７を形成し、これをエッチングにより部分的に除去してｐ型コンタクト層１６を一部露出させた。次に、スパッタ法により絶縁層１７上にAuZnからなる反射兼電極層１８を形成した。反射兼電極層１８は、絶縁層１７の開口部から露出したｐ型コンタクト層１６上にも形成する。スパッタ法により反射兼電極層１８上にTaN/TiW/TaNからなるバリアメタル層１９、NiAuからなる接合層２０を順次形成した。
【００２６】
次に、導電性支持基板３０を用意する。導電性支持基板３０としてｐ型不純物をドープすることにより導電性が付与されたシリコン基板を用いた。スパッタ法により導電性支持基板３０の両面にＰｔからなるオーミック金属層３１を形成した。導電性支持基板３０の一方の面に形成されたオーミック金属層３１は、半導体発光装置１の裏面電極として機能する。導電性支持基板２０の他方の面に形成されたオーミック金属層３１上にAuSnからなる密着層３２およびNiAuからなる接合層２０を順次形成した。
【００２７】
次に、半導体膜１０と導電性支持基板３０とを貼り合わせる。半導体膜１０上に形成された接合層２０と、導電性支持基板３０上に形成された接合層２０とを加圧した窒素雰囲気下で密着させ、熱圧着した。
【００２８】
次に、半導体膜１０の結晶成長に使用したＧａＡｓ基板（図示せず）をアンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いたウェットエッチングにより除去した。ＧａＡｓ基板を除去することにより露出した第１のｎ型クラッド層１１ａ上にスパッタ法によりAuGeNi/TaN/Ta/Auからなるオーミック電極層４０を形成し、リフトオフ法によりオーミック電極層４０のパターニングを行った。その後、半導体膜１０とオーミック電極層４０とがオーミック接触となるように熱処理を行った。尚、半導体膜１０との間でショットキー接触を形成する、例えばTa/TiWN/Ta/Auからなるショットキー電極層（図示せせず）を別途設けてもよい。
【００２９】
次に、上記各工程を経たウエハをダイシングして分割し、半導体発光装置の逆耐圧Vrおよび光出力の評価を行った。評価結果については後述する。
【００３０】
（比較例１）
本発明の実施例に係る半導体発光装置１の比較例１として図２に示す構造の半導体発光装置２を作製した。半導体発光装置２は、ｎ型クラッド層１１ｃの構成が本発明の実施例に係る半導体発光装置１と異なる。比較例１に係る半導体発光装置２のｎ型クラッド層は、Al0.5In0.5P単層で構成され、層厚を３μｍとした。ｎ型クラッド層以外の構成および製造方法は、上記した本発明の実施例に係る半導体発光装置１と同様であるので、説明は省略する。
【００３１】
（比較例２）
本発明の実施例に係る半導体発光装置１の比較例２として図３に示す構造の半導体発光装置３を作製した。半導体発光装置３は、ｎ型クラッド層１１ｄの構成が本発明の実施例に係る半導体発光装置１と異なる。比較例２に係る半導体発光装置３のｎ型クラッド層１１ｄは、（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5P単層で構成され、層厚を３μｍとした。ｎ型クラッド層以外の構成および製造方法は、上記した本発明の実施例に係る半導体発光装置１と同様であるので、説明は省略する。
【００３２】
（評価結果）
図４は、比較例１に係る半導体発光装置２の逆耐圧Vrのウエハ面内分布を示している。ウエハ面内において無作為に３００サンプル抽出して逆耐圧Vrを測定した。図４において横軸はサンプルＮｏ．を示し、縦軸は逆耐圧Vrの最大値で規格した値を示している。逆耐圧Vrは、ウエハ面内においてランダムにばらついた。また、逆耐圧Vrの値は、最大値からほぼゼロまで幅広く分布していることがわかる。この測定結果から逆耐圧Vrのヒストグラムを作成し、統計処理を行い、最大頻度の中心値からプラスマイナス１０％以内のものを合格品、それ以外のものを不合格品として合否判定を行ったところ、不良率は３０％程度であった。このように逆耐圧Vrが大きくばらつくのは、ｎ型クラッド層１１ｃ内に逆耐圧Vrに影響を及ぼすAl原子の規則配列（自然超格子）が形成されるためと考えられる。ｎ型クラッド層１１ｃの組成は、上記したようにAl0.5In0.5Pであり、Al組成比が比較的高い層が連続して３μｍという厚さで形成されているため、Al原子の規則配列がウエハ面内にランダムに形成されたものと考えられる。
【００３３】
図５は、比較例２に係る半導体発光装置３の逆耐圧Vrのウエハ面内分布を示している。ウエハ面内において無作為に３００サンプル抽出して逆耐圧Vrを測定した。図５において横軸はサンプルＮｏ．を示し、縦軸は逆耐圧Vrの最大値で規格した値を示している。比較例１と比べて逆耐圧Vrのウエハ面内ばらつきは大幅に低減しているのがわかる。上記した比較例１の場合と同様の合否判定を行ったところ、不良率は５％程度であった。このように逆耐圧Vrのばらつきが比較例１に係る半導体発光装置２と比べて大幅に改善しているのは、ｎ型クラッド層の組成の違いによるものと考えられる。すなわち、比較例２に係る半導体発光装置３のｎ型クラッド層１１ｄの組成は（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5Pであり、比較例１に係るｎ型クラッド層１１ｃと比べてAl組成比が比較的低い層で構成されているため、逆耐圧Vrに影響を及ぼすAl原子の規則配列が形成されにくいためと考えられる。
【００３４】
次に、比較例１および比較例２に係る半導体発光装置２および３の８５Ａ／ｃｍ２における光出力を評価した。比較例１に係る半導体発光装置２の光出力を１とすると、比較例２に係る半導体発光装置３の相対的な光出力は、０．６〜０．７程度であった。このように、光出力に差がみられたのは、ｎ型クラッド層のAl組成比の違いによるものと考えられる。８５Ａ／ｃｍ２という比較的大電流領域では、電子のみならず正孔のオーバフローも無視できなくなる。ｎ型クラッド層のAl組成比を高くすることにより、キャリアの閉じ込め効果をより効果的に働かせることができるので、ｎ型クラッド層にAl0.5In0.5P層を含めることは、大電流領域での光出力を確保する上で有効である。一方、ｎ型クラッド層にAl0.5In0.5P層を含めると、Al原子の規則配列が形成されやすくなり、逆耐圧Vrが大きくばらつくという結果を招く。
【００３５】
本発明者らは上記した比較例１および比較例２に係る半導体発光装置２および３の評価結果と、逆耐圧Vr不良がｎ型クラッド層内に形成される自然超格子に起因することとに基づいて、ｎ型クラッド層１１を（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5Pからなる第１のｎ型クラッド層１１ａとAl0.5In0.5Pからなる第２のｎ型クラッド層１１ｂとの２層により構成し、このうちAl原子の規則配列が形成されやすいAl0.5In0.5Pからなる第２のｎ型クラッド層１１ｂの層厚を最適化することにより、光出力を確保しつつ逆耐圧Vrの不良率を低減できるものと考えた。すなわち、Al0.5In0.5Pからなる第２のｎ型クラッド層１１ｂの層厚を制限することにより自然超格子の発生を抑制させ、逆耐圧Vrへの影響を低減できると考えた。
【００３６】
図６は、本発明の実施例に係る半導体発光装置１の逆耐圧Vrの不良率および光出力の測定結果を示している。図６のグラフにおいて、横軸はｎ型クラッド層のうち第２のｎ型クラッド層１１ｂの層厚を示し、縦軸は比較例１に係る半導体発光装置２の光出力を１とした場合における相対的な光出力および逆耐圧Vrの不良率を示している。不良率は、上記した比較例１の場合と同様の合否判定に基づいて算出した。第２のｎ型クラッド層（Al0.5In0.5P）１１ｂの層厚が厚くなるに従い、光出力が向上し、層厚４０ｎｍ以上で光出力は飽和した。一方、第２のｎ型クラッド層１１ｂの層厚が厚くなると、不良率は増加した。しかし、第２のｎ型クラッド層１１ｂの層厚を２００ｎｍ以下とすれば不良率を十数％程度以下に抑えることができた。
【００３７】
図７は、第２のｎ型クラッド層１１ｂの層厚を１００ｎｍ、第１のｎ型クラッド層１１ａの層厚を２９００ｎｍとした場合における本発明の実施例に係る半導体発光装置１の逆耐圧Vrのウエハ面内分布を示したグラフである。ウエハ面内において無作為に３００サンプル抽出して逆耐圧Vrを測定した。図７において横軸はサンプルＮｏ．を示し、縦軸は逆耐圧Vrの最大値で規格した値を示している。同図より、逆耐圧Vrのウエハ面内ばらつきは、比較例１と比べて大幅に低減しているのがわかる。この測定結果から逆耐圧Vrのヒストグラムを作成し、統計処理を行い、最大頻度の中心値からプラスマイナス１０％以内のものを合格品、それ以外のものを不合格品として合否判定を行ったところ不良率は１２％程度であった。すなわち、逆耐圧Vrの不良率は、比較例２には及ばないものの比較例１に対して大幅に改善した。
【００３８】
このように、AlGaInP系の半導体発光装置において、ｎ型クラッド層１１を（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5Pからなる第１のｎ型クラッド層１１ａとAl0.5In0.5Pからなる第２のｎ型クラッド層１１ｂの積層構造とし、第２のｎ型クラッド層１１ｂの層厚を４０〜２００ｎｍとすることにより、大電流域での光出力を確保しつつ逆耐圧Vrの不良率を低減できることが確認された。
【００３９】
尚、実施例では、第１および第２のｎ型クラッド層からなるｎ型クラッド層１１全体の層厚を３μｍとしたが、ｎ型クラッド層１１全体の層厚を１μｍとした場合でも第２のｎ型クラッド層１１ｂの層厚を４０〜２００ｎｍにすることにより同様の効果が得られた。すなわち、ｎ型クラッド層１１の全体の層厚に関係なく第２のｎ型クラッド層１１ｂの層厚制御により、高い光出力を確保しつつ、逆耐圧Vrのばらつきおよび不良率を低減することができる。
【００４０】
また、実施例では、活性層１２に近い側をAl0.5In0.5P、遠い側を（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5Pとしたが、図８に示すように、第１のｎ型クラッド層１１ａと第２のｎ型クラッド層１１ｂの配置を入れ替えた場合でも同様の効果が得られた。
【００４１】
また、実施例では、第１のｎ型クラッド層１１ａおよび第２のｎ型クラッド層１１ｂをそれぞれ１層としたが、図９に示すように、第２のｎ型クラッド層１１ｂを２つの第１クラッド層１１ａの間に設けてもよい。例えば、活性層１２に近い側から順に第１ｎクラッド層１１ａ（（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5P  ２４００ｎｍ）、第２のｎ型クラッド層１１ｂ（Al0.5In0.5P  １００ｎｍ）、第１のｎ型クラッド層１１ａ（（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5P  ５００ｎｍ）としてもよい。また、図１０に示すように、複数の第１および第２のｎ型クラッド層を交互に積層する構成としてもよい。この場合、複数の第２のｎ型クラッド層１１ｂの各々の層厚を４０〜２００ｎｍの範囲に設定すればよい。要するに、ｎ型クラッド層１１内おいて、Al原子の規則配列が形成されやすいAl0.5In0.5P層が２００ｎｍを超えて連続しないようにｎ型クラッド層を構成すれば、光出力を確保しつつ逆耐圧Vrの不良率を抑えることができる。
【００４２】
また、実施例では第２のｎ型クラッド層１１ｂの組成をAl0.5In0.5Pとし、整合組成としたが、AlとInのバランスを変えて不整合組成としても同様の効果が得られた。この場合、組成と臨界層厚との関係を考慮して結晶欠陥が導入されない範囲（例えばInの組成比が0.49〜0.52）で各元素の組成比を変更することが可能である。同様に、実施例では第１のｎ型クラッド１１ａの組成を（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5Pとしたが、結晶欠陥が導入されない範囲でAl又はGaとInとのバランスを変えても同様の効果が得られた。
【００４３】
また、実施例では半導体膜１０を導電性支持基板３０で支持する構成としたが、結晶成長に用いるGaAs基板で半導体膜１０を支持するタイプにも適用することができる。この場合、GaAs基板と半導体膜との間に半導体反射膜を挿入する構成とすることもできる。また、活性層１２の組成は、上記した実施例の組成に限定されるものではなく、所望の波長が得られるように適宜調整すればよい。また、活性層１２は、量子井戸構造に限らず単一の層で構成されていてもよい。また、実施例ではｐ型透明導電層１５およびｐ型コンタクト層１６をGa0.95In0.05Pで構成したが、GaPやAlGaAs等を用いることも可能である。
【００４４】
（予備実験１）
上記した比較例１に係る半導体発光装置２において、図４に示すように逆耐圧Vrのウエハ面内ばらつきが生じる原因が、自然超格子の形成によるものであることを確認するために、以下に示す予備実験を行った。
GaAs基板の結晶面のオフ角を（１００）面から[０１１]方向に０°、２°、４°、１０°１５°、２５°としたものを用意し、これらのGaAs基板上にそれぞれ比較例１に係る半導体発光装置２と同一の構造の半導体膜を形成した。すなわち、オフ角が互いに異なるGaAs基板上にそれぞれ、Al0.5In0.5Pからなる層厚３μｍのｎ型クラッド層を含む半導体膜を形成した。成長条件はいずれも同一である。半導体膜に電極を取り付けて逆耐圧Vrを測定し、不良率を算出した。図１１は、GaAs基板の結晶面のオフ角と逆耐圧Vr不良率との関係を示したグラフである。GaAs基板の結晶面のオフ角が小さくなると逆耐圧Vrの不良率が増加することが確認された。
【００４５】
GaAs基板の結晶面のオフ角が小さくなると自然超格子が発生しやすくなることは、以下のデータより明らかである。図１２は、GaAs基板の結晶面のオフ角とAlGaInP系半導体（Al組成比０．１５）のバンドギャップとの関係を示したグラフである。バンドギャップは、ＰＬ（フォトルミネッセンス）発光波長より求めた。GaAs基板の結晶面のオフ角が小さい領域でバンドギャップが小さくなることが確認された。AlGaInP系半導体において、半導体膜内に自然超格子の形成に伴ってバンドギャップが小さくなることが知られている（J.Crystal Growth,Vol.93(1986),PP396、Appl.Phys.Lett.Vol.50(1987),pp673）。すなわち、図１２は、GaAs基板の結晶面のオフ角が小さくなる程自然超格子が形成されやすく、オフ角が大きくなる程自然超格子の発生が抑制されること意味している。図１２に示すデータは、ＰＬ発光波長に基づいてバンドギャップを測定している関係上、直接遷移となるAl組成比が比較的低い場合について示しているが、間接遷移となるAl組成比が比較的高い場合でも同様の傾向を示すことは、以下に説明する図１３に示すグラフから推測できる。
【００４６】
GaAs基板の結晶面のオフ角と自然超格子の発生状況との関係は、図１３に示すデータからも推測できる。図１３は、（AlZsGa1-Zs）XsIn1-XsPからなる半導体において、GaAs基板の結晶面のオフ角とAlZsGa1-Zsの組成比Xsとの関係を示したグラフである。図１３において、Al組成比（Zs）が０．１５の場合（●で示す。）と、１の場合（▲で示す。）を示している。図１３よりAl組成比の大小にかかわらず、GaAs基板の結晶面のオフ角が小さい領域で、Xsが低下すること、換言すればInの組成比（1-Xs）が増加することが確認された。自然超格子は、規則的に同一原子がある結晶面に並ぶ現象であるが、規則配列する際の駆動力が大きいと元素間の取り込みのバランスが変化するものと考えられる。GaAs基板の結晶面のオフ角が小さい場合には、Al組成比の大小に関わらずIn原子の取り込み量が増加しており、自然超格子が発生しているものと推測できる。
【００４７】
以上より、図１１に示されたGaAs基板の結晶面のオフ角と逆耐圧Vr不良率との関係は、図１２および図１３に示されたGaAs基板の結晶面のオフ角と自然超格子の発生状況との関係と一致していることから、比較例１に係る半導体発光装置１に見られた逆耐圧Vrのウエハ面内ばらつきは、半導体膜内部に形成された自然超格子と密接に関連しているものと推定できる。尚、自然超格子の発生を直接確認する方法としては、高分解能TEM（透過型電子顕微鏡）で局所観察を行い、原子配列を検証する方法がある。
【００４８】
図１４は、AlGaInP系半導体（Al組成０．１５）において、バンドギャップとV/III比との関係を示したグラフであり、GaAs基板の結晶面のオフ角を（１００）面から[０１１]方向に０°、２°、４°、１５°とした場合のそれぞれについて示している。尚、V/III比とは、半導体層を気相成長する際に供給される原料ガスに含まれるＶ族元素のモル数をIII族元素のモル数で割った値であり、V族元素とIII族元素の供給比率を意味している。図１４より、V/III比を高くする程バンドギャップが小さくなることが理解できる。これは、V/III比を高くする程自然超格子が形成されやすいことを意味している。図１２よりGaAs基板の結晶面のオフ角が大きい場合には、自然超格子の発生は抑制される傾向にあるが、例えば１５°傾斜基板を用いた場合であってもV/III比を高くすると自然超格子が形成される場合があり、逆耐圧Vr不良率の悪化を招く結果となる。本発明に係る半導体発光装置によれば成長用基板の結晶面のオフ角やV/III比などの成長条件にかかわらず、光出力を損なうことなく自然超格子に起因する逆耐圧Vrの不良率を低減することができ、安定して高歩留りを確保することができる。
【００４９】
（予備実験２）
AlGaInP系半導体発光装置において逆耐圧Vrがウエハ面内でばらつくのは、ｎ型クラッド層に起因するものなのか、ｐ型クラッド層に起因するものなのか、あるいは両クラッド層に起因するものなのかについて検討した。ｐ型クラッド層の組成をAlの規則配列が形成されやすいAl0.5In0.5Pとし、ｎ型クラッド層の組成をAlの規則配列が形成されにくい（Al0.7Ga0.3）0.5In0.5Pとした半導体発光装置を作製し、ウエハ面内において無作為に３００サンプル抽出して逆耐圧Vrを測定した。図１５に逆耐圧Vrの測定結果を示す。図１５において横軸はサンプルＮｏ．を示し、縦軸は逆耐圧Vrの最大値で規格した値を示している。ｐ型クラッド層の組成をAlの規則配列が形成されやすいAl0.5In0.5Pとしても逆耐圧Vrの値は安定していることが確認された。すなわち、ｐ型クラッド層をAl0.5In0.5Pとしてもｐ型クラッド層内には自然超格子が形成されにくいことを意味している。これは、ｐ型不純物であるZnがｐ型クラッド層内に拡散されやすく、その動きによって自然超格子構造が解消されるためであると推測される。以上より、逆耐圧Vrがウエハ面内でばらつく要因は、ｎ型クラッド層に存在し、ｐ型クラッド層には存在しないことが確認された。従って、ｐ型クラッド層１３の組成や層厚は適宜改変することが可能であり、AlGaInP以外の材料、例えばAlGaAsで構成しても本発明の効果に影響しない。
【００５０】
以上の説明から明らかなように、AlGaInP系半導体発光装置においては、成長用基板の結晶面のオフ角や成長条件により半導体膜内に自然超格子が形成される場合があり、これに起因して逆耐圧Vrがばらつき、歩留りが低下するおそれがあることが明らかとなった。本発明の半導体発光装置は、ｎ型クラッド層１１をAlの規則配列が形成されにくいAlGaInPからなる第１のｎ型クラッド層１１ａと、Alの規則配列が形成されやすいが、特に大電流領域においてキャリアの閉じ込め効果をより有効に機能させるAlInPからなる第２のｎ型クラッド層１１ｃの積層構造とし、第２のｎ型クラッド層１１ｂの層厚を４０〜２００ｎｍとした。これにより、成長用基板の結晶面のオフ角や成長条件によらず逆耐圧Vrのばらつきを抑え不良率を低減することが可能となった。また、大電流域での光出力を損なうこともない。
【符号の説明】
【００５１】
１０  半導体膜
１１ａ  第１のｎ型クラッド層
１１ｂ  第２のｎ型クラッド層
１２  活性層
１３  ｐ型クラッド層
３０  導電性支持基板
【図１】
2011151190.tif 000003
【図２】
2011151190.tif 000004
【図３】
2011151190.tif 000005
【図４】
2011151190.tif 000006
【図５】
2011151190.tif 000007
【図６】
2011151190.tif 000008
【図７】
2011151190.tif 000009
【図８】
2011151190.tif 000010
【図９】
2011151190.tif 000011
【図１０】
2011151190.tif 000012
【図１１】
2011151190.tif 000013
【図１２】
2011151190.tif 000014
【図１３】
2011151190.tif 000015
【図１４】
2011151190.tif 000016
【図１５】
2011151190.tif 000017