(57)【要約】【課題】電流分散層としてＧａＰを用いた場合であっても、順方向電圧の上昇を抑制し、電流分散層からの添加物の拡散を抑制し、高輝度及び高信頼性の半導体発光素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】半導体発光素子１は、第１導電型の第１クラッド層と、活性層２４と、Ｍｇが添加されたＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなり、第１導電型と異なる第２導電型の第２クラッド層と、Ｍｇが添加されたＧａＰからなる第２導電型の電流分散層２８とをこの順に有する半導体積層部２０を備え、半導体積層部２０は、第２クラッド層と電流分散層２８との間に形成され、第２クラッド層及び電流分散層２８の間のバンドギャップエネルギーを有する介在層２６と、介在層２６と電流分散層２８との間に形成され、Ｃ原子の濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下で、厚さが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の拡散抑制アンドープ層２７とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなる第１導電型の第１クラッド層と、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなる活性層と、Ｍｇが添加されたＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなり、第１導電型と異なる第２導電型の第２クラッド層と、Ｍｇが添加されたＧａＰからなる第２導電型の電流分散層とをこの順に有する半導体積層部を備え、
前記半導体積層部は、
前記第２クラッド層と前記電流分散層との間に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなり、前記第２クラッド層及び前記電流分散層の間のバンドギャップエネルギーを有する介在層と、
前記介在層と前記電流分散層との間に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなり、Ｃ原子の濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下で、厚さが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の拡散抑制アンドープ層とを有する半導体発光素子。
【請求項２】
前記電流分散層は、ＧａＰからなり、４００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の厚さの抵抗アンドープ層を含む請求項１に記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記介在層は、実質的にＡｌを含まないＧａＩｎＰ系の半導体材料からなる請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】
前記電流分散層は、Ｃ原子の濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下で、Ｍｇ原子の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上である請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記電流分散層は、半導体発光素子の表面側の上部電流分散層と、前記上部電流分散層より半導体発光素子の表面から遠い側の下部電流分散層とを有し、
前記抵抗アンドープ層は、前記上部電流分散層と前記下部電流分散層との間に設けられ、
前記介在層のＭｇ原子の濃度は、前記上部電流分散層のＭｇ原子の濃度及び前記下部電流分散層のＭｇ原子の濃度より高い請求項４に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記介在層は、Ｃ原子の濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下で、Ｍｇ原子の濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下である請求項５に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体発光素子を製造するにあたり、
前記半導体積層部をＭＯＶＰＥ法により形成し、
前記拡散抑制アンドープ層の成長時に、原料ガスにおけるＶ族元素とＩＩＩ族元素の供給量比を、Ｃ原子の濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下となるように調整する半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
前記拡散抑制アンドープ層は、ＧａＰからなり、
前記原料ガスは、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とホスフィン（ＰＨ３）を含み、
前記拡散抑制アンドープ層の成長時に、原料ガスにおけるＶ族元素とＩＩＩ族元素の供給量比を３５以上にした請求項７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、及び半導体発光素子の製造方法に関する。特に、本発明は、放出される波長のピークが５６０〜６５０ｎｍ付近の半導体発光素子、及び半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＡｌＧａＩｎＰ系材料のエピタキシャルウェハを用いて製造される高輝度の赤色〜緑色の発光ダイオードの需要が大幅に伸びている。この種の発光ダイオードは、携帯電話の液晶用バックライト、表示灯、交通用信号灯、自動車のブレーキランプ等に用いられている。ＡｌＧａＩｎＰ系材料は、窒化物を除くＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の中で最大のバンドギャップを有する直接遷移型半導体であり、従来のＧａＰ系、ＡｌＧａＡｓ系等の間接遷移型半導体を用いた発光ダイオードと比較して、赤色〜緑色の可視波長域において高輝度の発光が可能である。
【０００３】
この種の発光ダイオードとして、ｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ型ＡｌＧａＩｎＰ系のクラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ系の活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎ系のクラッド層を順次積層形成した後、アンドープのＡｌＧａＡｓ系の電流分散層、Ｚｎドープのｐ型ＡｌＧａＡｓ系の電流分散層を積層形成した発光ダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、特許文献１に記載の発光ダイオードは、電流分散層がＡｌ組成を含むＡｌＧａＡｓ系材料であるため、耐湿性が比較的弱くなるという側面がある。電流分散層にＡｌＧａＡｓ系材料を用いる発光ダイオードも知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
更に、電流分散層にＡｌ組成が含まれないＧａＰを用いた発光ダイオードとして、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＶＰＥ法で、ｎ型ＧａＡｓバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ系のクラッド層、アンドープＡｌＧａＩｎＰ系の活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系のクラッド層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系の介在層、ｐ型クラッド層の上に、を成長させ、ｐ型ＧａＰ系のウィンドウ層を順次成長させた発光ダイオードが知られている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−９７４６７号公報
【特許文献２】特開２００５−１３６３１３号公報
【特許文献３】特開２０００−３１２０３０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、特許文献３に記載の発光ダイオードでは、電流分散層としてＡｌＧａＩｎＰ系に対して格子不整合になるＧａＰを用いているので、半導体層に加わる応力が大きくなり、電流分散層からｐ型クラッド層側への添加物の拡散が助長される場合がある。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、電流分散層としてＧａＰを用いた場合であっても、順方向電圧の上昇を抑制すると共に、電流分散層からの添加物の拡散を抑制して、高輝度及び高信頼性の半導体発光素子、及び半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するため、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなる第１導電型の第１クラッド層と、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなる活性層と、Ｍｇが添加されたＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなる第１導電型と異なる第２導電型の第２クラッド層と、Ｍｇが添加されたＧａＰからなる第２導電型の電流分散層とをこの順に有する半導体積層部を備え、半導体積層部は、第２クラッド層と電流分散層との間に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなり、第２クラッド層及び電流分散層の間のバンドギャップエネルギーを有する介在層と、介在層と電流分散層との間に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなり、Ｃ原子の濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下で、厚さが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の拡散抑制アンドープ層とを有する半導体発光素子が提供される。
【０００９】
また、上記半導体発光素子は、電流分散層は、ＧａＰからなり厚さが４００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下の抵抗アンドープ層を含むことが好ましい。
【００１０】
また、上記半導体発光素子は、介在層は、実質的にＡｌを含まないＧａＩｎＰ系の半導体材料からなることが好ましい。
【００１１】
また、上記半導体発光素子は、電流分散層は、Ｃ原子の濃度が１×１０１７ｃｍ−３以下で、Ｍｇ原子の濃度が５×１０１７ｃｍ−３以上であることが好ましい。
【００１２】
また、上記半導体発光素子は、電流分散層は、半導体発光素子の表面側の上部電流分散層と、上部電流分散層より半導体発光素子の表面から遠い側の下部電流分散層とを有し、抵抗アンドープ層は、上部電流分散層と下部電流分散層との間に設けられ、介在層のＭｇ原子の濃度は、上部電流分散層のＭｇ原子の濃度及び下部電流分散層のＭｇ原子の濃度より高いことが好ましい。
【００１３】
また、上記半導体発光素子は、介在層は、Ｃ原子の濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下で、Ｍｇ原子の濃度が１×１０１８ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明は、上記目的を達成するため、上記半導体発光素子を製造するにあたり、半導体積層部をＭＯＶＰＥ法により形成し、拡散抑制アンドープ層の成長時に、原料ガスにおけるＶ族元素とＩＩＩ族元素の供給量比を、Ｃ原子の濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下となるよう調整する半導体発光素子の製造方法が提供される。
【００１５】
また、上記半導体発光素子の製造方法は、拡散抑制アンドープ層は、ＧａＰからなり、原料ガスは、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）とホスフィン（ＰＨ３）を含み、拡散抑制アンドープ層の成長時に、原料ガスにおけるＶ族元素とＩＩＩ族元素の供給量比（Ｖ／ＩＩＩ比）を３５以上とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る半導体発光素子、及び半導体発光素子の製造方法によれば、電流分散層としてＧａＰを用いた場合であっても、順方向電圧の上昇を抑制すると共に、電流分散層からの添加物の拡散を抑制して、高輝度及び高信頼性の半導体発光素子、及び半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の模式断面図である。
【図２】アンドープ層の膜厚と発光出力及び順方向電圧との関係を示すグラフである。
【図３】アンドープ層の成長時のＶ／ＩＩＩ比と発光出力及び相対出力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
（実施の形態の要約）
ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなる第１導電型の第１クラッド層と、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなる活性層と、Ｍｇが添加されたＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなる第１導電型と異なる第２導電型の第２クラッド層と、Ｍｇが添加されたＧａＰからなる第２導電型の電流分散層とをこの順に有する半導体積層部を備えた半導体素子において、半導体積層部は、第２クラッド層と電流分散層との間に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなり、第２クラッド層及び電流分散層の間のバンドギャップエネルギーを有する介在層と、介在層と電流分散層の間に形成され、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料からなり、Ｃ原子の濃度が５×１０１６ｃｍ−３以下で、厚さが２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の拡散抑制アンドープ層とを有する。
【００１９】
［実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の模式的な断面を示す。
【００２０】
（半導体発光素子１の概要）
図１に示すように、半導体発光素子１は、基板１０と、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体層を含む半導体積層部２０とを備える。半導体積層部２０は、バッファ層２１と、光反射層２２と、ｎ型クラッド層２３と、活性層２４と、ｐ型クラッド層２５と、介在層２６と、拡散抑制アンドープ層２７と、電流分散層２８とを基板１０側からこの順に有する。なお、本実施の形態において「アンドープ層」とは、所定の導電型の半導体層を形成することを目的として不純物をドープする層を除く層である。また、半導体発光素子１は、電流分散層２８の内側に挿入して形成される抵抗アンドープ層２９を有する。更に、半導体発光素子１は、電流分散層２８の上面に形成されるｐ側電極３０と、基板１０の下面に形成されるｎ側電極３１とを有している。
【００２１】
（基板１０、半導体積層部２０）
基板１０は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から形成される。例えば、基板１０は、ｎ型ＧａＡｓであり、１００μｍ以上４５０μｍ以下の厚さを有する。半導体積層部２０は、基板１０上に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により形成される。Ａｌの原料にはトリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、Ｇａの原料にはトリメチルガリウム（ＴＭＧａ）を、Ｉｎの原料にはトリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）を、Ａｓの原料にはアルシン（ＡｓＨ３）を、Ｐの原料にはホスフィン（ＰＨ３）をそれぞれ用いることができる。また、第１導電型としてのｎ型のドーパント原料としてはセレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）を、第２導電型としてのｐ型のドーパント原料としてはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ２Ｍｇ）をそれぞれ用いることができる。半導体積層部２０の成長条件は、例えば、成長温度を６００℃以上７００℃以下、成長圧力を５３３２．９Ｐａ（４０Ｔｏｒｒ）以上７９９９．３Ｐａ（６０Ｔｏｒｒ）以下、成長速度を０．３ｎｍ／ｓｅｃ以上１．５ｎｍ／ｓｅｃ以下に設定することができる。
【００２２】
（バッファ層２１、光反射層２２）
バッファ層２１は、例えば、ｎ型ＧａＡｓにより形成される。なお、バッファ層２１を省略する構成にすることもできる。バッファ層２１は、例えば、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下の厚さを有して形成される。光反射層２２は、互いに異なる組成の層のペアを複数積層して形成される。光反射層２２は、例えばｎ型ＡｌＡｓ／ＡｌｙＧａ１−ｙＡｓ（０＜ｙ≦１）の多層膜構造にすることができる。光反射層２２を構成する各層は、ｎ型クラッド層２３、活性層２４、ｐ型クラッド層２５からなる発光部から出射される光の波長λに対して、ｄ１＝λ／（４×ｎ１）、ｄ２＝λ／（４×ｎ２）の厚さを有して形成される（ただし、ｎは屈折率であり、ｄ１＋ｄ２で１ペアの厚さになる）。光反射層２２は１ペアから３０ペアのペア数を含んで形成される。
【００２３】
（ｎ型クラッド層２３〜電流分散層２８）
ｎ型クラッド層２３、活性層２４、ｐ型クラッド層２５、介在層２６、拡散抑制アンドープ層２７、及び電流分散層２８は、それぞれ（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（但し、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で表されるＡｌＧａＩｎＰ系材料から形成される。例えば、第１クラッド層としてのｎ型クラッド層２３をｎ型の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐから形成する。そして、活性層２４をアンドープのＧａ０．５Ｉｎ０．５Ｐから形成する。更に、第２クラッド層としてのｐ型クラッド層２５をｐ型の（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐから形成する。これにより、ピーク波長が６５０ｎｍである赤色発光ダイオードにすることができる（なお、例えば、ピーク波長を６３０ｎｍにする場合、活性層２４は、アンドープの（Ａｌ０．１Ｇａ０．９）０．５Ｉｎ０．５Ｐから形成する）。なお、半導体発光素子１の発光波長は活性層２４を構成する材料を他の材料に代えることにより変更することができ、例えば、５６０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の範囲で活性層２４を構成する材料の組成等を調整することができる。ｎ型クラッド層２３は、例えば、３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚さを有して形成され、活性層２４は、例えば、５０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の厚さを有して形成され、ｐ型クラッド層２５は、例えば、３００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下の厚さを有して形成される。
【００２４】
（介在層２６）
介在層２６は、Ｍｇが添加されたｐ型のＡｌＧａＩｎＰ系材料から形成され、ｐ型クラッド層２５と電流分散層２８との間のバンドギャップエネルギーを有する材料から形成される。介在層２６は、Ａｌを実質的に含まないＧａＩｎＰ系材料（ＧａｘＩｎ１−ｘＰ（０≦ｘ≦１））から形成することが好ましく、特に、ＧａｘＩｎ１−ｘＰ（０．６≦ｘ≦０．７）から形成することが好ましい。介在層２６をＧａＩｎＰ系材料から形成することにより、Ａｌを含む材料から介在層２６を形成した場合に比べて介在層２６にドーパントをより多く導入できる。すなわち、介在層２６をＧａＩｎＰ系材料から形成することにより、ドーピング効率を向上させ、ドープ量の増加によるトンネル効果で順方向電圧の低減を図ることができる。介在層２６のＧａ組成を低くすると、活性層２４から発せられた光を吸収してしまい、Ｇａ組成を高くするとＧａＰからなる電流分散層２８の成長が困難となる。本実施の形態においては、介在層２６のＭｇ原子の濃度は、１×１０１８ｃｍ−３以上３×１０１８ｃｍ−３以下に制御され、エピタキシャル成長時に介在層２６に混入するＣ原子の濃度は５×１０１６ｃｍ−３以下である。このＣ原子濃度は、エピタキシャル成長時に用いる原料ガスにおけるＶ族元素とＩＩＩ族元素との供給量比（Ｖ／ＩＩＩ比）を３５以上にすることにより実現される。
【００２５】
（拡散抑制アンドープ層２７）
拡散抑制アンドープ層２７は、Ｍｇ等の添加物が積極的に添加されていないＧａＰにより形成される。拡散抑制アンドープ層２７は、２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さを有して形成されることが好ましい。本実施の形態に係る半導体発光素子１において、拡散抑制アンドープ層２７を２０ｎｍ未満の厚さにすると発光出力の低下を招き、２００ｎｍを超えると順方向電圧の上昇を招く。拡散抑制アンドープ層２７は、Ｃ原子の濃度が比較的低くなるように、エピタキシャル成長時のＶ／ＩＩＩ比を所定値以上にして形成される。具体的に、拡散抑制アンドープ層２７は、Ｖ／ＩＩＩ比を３５以上に設定してエピタキシャル成長を実施することにより、５×１０１６ｃｍ−３以下のＣ原子の濃度を有して形成される。Ｖ／ＩＩＩ比が高いほど拡散抑制アンドープ層２７に含まれるＣ原子濃度が低くなるので好ましいが、製造コスト等を考慮してＶ／ＩＩＩ比は２００以下に設定する。なお、拡散抑制アンドープ層２７を除いた半導体積層部２０を形成する際のＶ／ＩＩＩ比は、製造コスト等を考慮して１０以上１００以下に設定される。
【００２６】
（電流分散層２８）
電流分散層２８は、Ｍｇが添加されたＧａＰにより形成され、抵抗アンドープ層２９が挿入されている。電流分散層２８におけるＭｇ原子の濃度は、５×１０１７ｃｍ−３以上であり、好ましくは１×１０１８ｃｍ−３以上である。また、電流分散層２８では、Ｃ原子の濃度は１×１０１７ｃｍ−３以下である。このＣ原子濃度は、エピタキシャル成長時のＶ／ＩＩＩ比を３０以上にすることにより実現することができる。
【００２７】
（抵抗アンドープ層２９）
抵抗アンドープ層２９は、Ｍｇ等の添加物が積極的に添加されていないＧａＰにより形成される。抵抗アンドープ層２９の厚さは、４００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下が好ましい。抵抗アンドープ層２９の厚さを４００ｎｍ未満にすると電流分散層２８中で抵抗層として機能しなくなり、１２００ｎｍを超える厚さにすると抵抗が大きくなって順方向電圧の上昇を招くからである。電流分散層２８は、内側の抵抗アンドープ層２９を含めて、例えば、３０００ｎｍ以上、好ましくは７０００ｎｍ以上の厚さを有して形成される。なお、電流分散層２８の厚さの上限は製造コストとの兼ね合いから決定することができ、一例として、１５μｍ以下の厚さを有して電流分散層２８は形成される。
【００２８】
（ｐ側電極３０、ｎ側電極３１）
ｐ側電極３０は電流分散層２８の上面に形成され、ｎ側電極３１は基板１０の下面に形成される。ｐ側電極３０及びｎ側電極３１は、任意の金属材料から形成することができる。ｐ側電極３０は、例えば、Ａｕ／Ｎｉ／ＡｕＢｅから形成される。また、ｎ側電極３１は、例えば、Ａｕ／Ｎｉ／ＡｕＧｅから形成される。更に、ｐ側電極３０は、平面視にて円形に形成することができ、ｎ側電極は、基板１０の下面に全面的に形成することができる。なお、ｐ側電極３０及びｎ側電極３１の形状は、四角形、菱形、多角形等の他の形状を有して形成することもできる。
【００２９】
（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る半導体発光素子１は、ｐ型クラッド層２５と電流分散層２８との間に、ｐ型クラッド層２５と電流分散層２８との間のバンドギャップエネルギーを有する介在層２６を設けたので、順方向電圧の上昇を抑制することができる。特に、介在層２６としてＡｌＧａＩｎＰ系の半導体材料のうちＡｌを含まないＧａＩｎＰを選択することにより、ＡｌＧａＩｎＰよりＧａＩｎＰの方がドーピング効率がよいので、Ｍｇのドープ量が少なくても順方向電圧を低下させることができる。すなわち、ＧａＩｎＰのドーピング効率が良いことから、ドーピングするＭｇの量を低減できるので、Ｍｇの拡散による半導体発光素子１の特性の劣化を低減できる。これにより、信頼性の高い半導体発光素子１を提供することができる。更に、４元系のＡｌＧａＩｎＰよりも３元系のＧａＩｎＰの方が結晶成長時における制御性が良いので、生産性を向上させることができ、製造コストを低減することができる。
【００３０】
また、本実施の形態に係る半導体発光素子１は、ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ系材料の添加物をＭｇにしたことにより、拡散係数の比較的高いＺｎを添加した場合に比べ、ｐ型クラッド層２５、活性層２４への添加物の拡散を抑制することができる。これにより、半導体発光素子１の発光輝度の低下を抑制して高信頼性を得ることができる。添加物が拡散すると、ｐ型クラッド層２５のキャリア濃度を安定して制御することができず、また、ｐ型クラッド層２５と活性層２４との界面の劣化、活性層２４の品質の劣化等を引き起こすことにより、発光強度等を低下させる原因になる。更に、Ｃ原子が存在するとＭｇが拡散し易いところ、介在層２６と電流分散層２８との間に、Ｃ原子の濃度を５×１０１６ｃｍ−３以下にしたＧａＰからなる拡散抑制アンドープ層２７を形成したので、Ｍｇの拡散を効果的に抑制することができ、高輝度及び高信頼性の半導体発光素子１を提供することができる。このようなＣ原子の濃度を有する拡散抑制アンドープ層２７は、エピタキシャル成長時のＶ／ＩＩＩ比を３５以上に調整して形成することができ、特殊な処理工程を経ることなく、比較的容易に形成することができる。更に、拡散抑制アンドープ層２７を２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の厚さにすることにより、発光出力を向上させることができると共に、順方向電圧の上昇を抑制することができる。
【００３１】
また、電流分散層２８のＣ原子の濃度を１×１０１７ｃｍ−３以下にすることによっても、Ｍｇの拡散を抑制することができる。更に、電流分散層２８中に抵抗アンドープ層２９を形成したので、当該抵抗アンドープ層２９が抵抗層として機能することにより、電圧変動に起因した過電流による半導体発光素子１の破壊を抑制することができる。
【００３２】
なお、本実施形態においては、半導体積層部２０をＭＯＶＰＥ法により形成した例を示したが、半導体積層部２０の各層における組成、Ｍｇ原子の濃度、Ｃ原子の濃度、膜厚等を本実施形態と同様に調整することができるならば、気相エピタキシー法（ＶＰＥ法）、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ法）等のような他の成長法を用いることもできる。
【００３３】
また、半導体積層部２０の原料として、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アルシン、ホスフィン、セレン化水素、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いたが、半導体積層部２０における特定の層のＣ原子濃度を所定値以下に制御できるのであれば、他の材料に変更してもよい。例えば、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム（（Ｃ２Ｈ５）３Ｇａ）を用いること、Ａｌ原料としてトリエチルアルミニウム（（Ｃ２Ｈ５）３Ａｌ）を用いること、ｎ型のドーパントの原料としてジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を用いることができる。
【００３４】
また、本実施形態においては、基板１０としてＧａＡｓを用いたものを示したが、基板１０は他の材料から形成される基板であってもよい。また、半導体積層部２０を基板１０上にて成長させた例を示したが、半導体積層部２０を他の成長基板上に成長してから基板１０に接合するようにしてもよい。
【００３５】
また、本実施形態においては、活性層２４を単層構造としているが、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造、歪み多重量子井戸構造等の量子井戸構造としてもよい。更に、活性層２４の上下の少なくとも一方に他のアンドープ層を形成してもよく、その他、具体的な細部構造等についても適宜に変更可能である。
【００３６】
［実施例１〜４、比較例１、２］
図１に示す半導体発光素子１の実施例１〜４として、拡散抑制アンドープ層２７を２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲内で変化させた試料体１〜４を作製した。また、比較例１、２として拡散抑制アンドープ層２７を１５ｎｍ、２５０ｎｍとした試料体５、６を作製した。そして、各試料体につき発光出力、順方向電圧等に関するデータを取得した。試料体１〜６の作製にあたり、まずエピタキシャルウェハを作製した。
【００３７】
まず、基板１０としてｎ型ＧａＡｓを用い、半導体積層部２０はトリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリメチルインジウム、アルシン、ホスフィン、セレン化水素及びビスシクロペンタジエニルマグネシウムを原料としてＭＯＶＰＥ法により形成した。具体的に、半導体積層部２０は、成長温度６５０℃、成長圧力６６６６．１Ｐａ（５０Ｔｏｒｒ）、成長速度０．７ｎｍ／ｓの条件で成長した。ここで、エピタキシャル成長時のＶ／ＩＩＩ比は、バッファ層２１〜介在層２６の成長において１５０に設定した。拡散抑制アンドープ層２７、電流分散相２８、抵抗アンドープ層２９の成長においては、Ｖ／ＩＩＩ比をそれぞれ、３５、３０、５０に設定した。
【００３８】
バッファ層２１は厚さ１００ｎｍのｎ型ＧａＡｓから形成した。また、光反射層２２は、厚さ５０ｎｍのｎ型ＡｌＡｓと、厚さ４５ｎｍのｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓとのペアを２０ペア積層して形成した。ｎ型クラッド層２３は、厚さ５００ｎｍのｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐから形成した。活性層２４は、厚さ５００ｎｍのアンドープの（Ａｌ０．１Ｇａ０．９）０．５Ｉｎ０．５Ｐから形成した。ｐ型クラッド層２５は、厚さ５００ｎｍのｐ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐから形成した。介在層２６は、厚さ２０ｎｍのｐ型Ｇａ０．６Ｉｎ０．４Ｐから形成した。
【００３９】
拡散抑制アンドープ層２７は、成長時のＶ／ＩＩＩ比を３５に設定して、１５ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の厚さを有するアンドープのＧａＰから形成した。作製された試料体１〜６のＣ原子濃度は５×１０１６ｃｍ−３であり、Ｍｇ原子の濃度は２×１０１６ｃｍ−３であった。なお、拡散抑制アンドープ層２７のＭｇ原子の濃度は、好ましくは１×１０１６ｃｍ−３以下である。また、Ｍｇ原子のより詳細な濃度は以下の通りであった。すなわち、Ｍｇ原子の濃度は以下の領域ごとに異なっていた。まず、複数の領域は、ｐ側電極３０直下の電流分散層２８の表面側の領域（領域１）と、電流分散層２８の上部、すなわち、抵抗アンドープ層２９より表面側であり、素子表面と抵抗アンドープ層２９との間の領域（領域２：上部電流分散層）と、抵抗アンドープ層２９（領域３）と、電流分散層２８の下部、すなわち、抵抗アンドープ層２９より基板１０側であり、抵抗アンドープ層２９と拡散抑制アンドープ層２７との間の領域（領域４：下部電流分散層）と、拡散抑制アンドープ層２７（領域５）と、介在層２６（領域６）とである。これらの領域の中で、ｐ側電極３０とオーミックコンタクトすることが要求される領域１が最も高いＭｇ原子濃度であり、次いで、領域６のＭｇ原子濃度が高い値であった。一方、最もＭｇ原子濃度が低い領域は領域３であり、次に低い領域が領域５であった。これは、抵抗アンドープ層２９及び拡散抑制アンドープ層２７のいずれにもＭｇを積極的に添加していないものの、拡散抑制アンドープ層２７の厚さが薄いことから、Ｍｇの拡散等の影響を受けているものと考えられる。また、領域２においては、領域２の全体に略一定濃度でＭｇが含まれていたが、領域４では、領域３側から領域５側に向けて勾配を有してＭｇ原子濃度が低下していた。すなわち、本実施例においては、１）領域６のＭｇ原子濃度は領域２及び領域４のＭｇ原子濃度より高い、２）領域４のＭｇ原子濃度は領域３側にピークがあり、領域５に向けてＭｇ原子濃度が低下する勾配を有する、３）領域１のＭｇ原子濃度は領域６のＭｇ原子濃度より高い、という構成を備えるものである。拡散抑制アンドープ層２７は、試料体１で１５ｎｍの厚さに、試料体２で２０ｎｍの厚さに、試料体３で５０ｎｍの厚さに、試料体４で１００ｎｍの厚さに、試料体５で２００ｎｍの厚さに、試料体６で２５０ｎｍの厚さになるように形成した。
【００４０】
電流分散層２８は、抵抗アンドープ層２９を含めた厚さを１００００ｎｍにして、ｐ型ＧａＰから形成した。抵抗アンドープ層２９は、厚さ５５０ｎｍのアンドープのＧａＰから形成した。
【００４１】
ｐ側電極３０は、Ａｕ／Ｎｉ／ＡｕＢｅから形成した。具体的に、ｐ側電極３０は、電流分散層２８の上面に真空蒸着法により形成した。より具体的に、ｐ側電極３０は、直径１３０μｍの円形に形成すると共に、Ａｕの厚さを１０００ｎｍ、Ｎｉの厚さを６０ｎｍ、ＡｕＢｅの厚さを５０ｎｍにした。なお、ＡｕＢｅ層を電流分散層２８の上面にまず形成した。
【００４２】
また、ｎ側電極３１は、Ａｕ／Ｎｉ／ＡｕＧｅから形成した。具体的に、ｎ側電極３１は、基板１０の下面に真空蒸着法により形成した。より具体的に、ｎ側電極３１は、基板１０の下面の略全面に形成すると共に、Ａｕの厚さを３００ｎｍ、Ｎｉの厚さを６０ｎｍ、ＡｕＧｅの厚さを５０ｎｍにした。なお、ＡｕＧｅ層を基板１０の下面にまず形成した。
【００４３】
この後、各電極を、不活性雰囲気である窒素ガス雰囲気中にて４００℃、５分間の条件で合金化した。このようにエピタキシャルウェハを作製した後、ダイシングにより３００μｍ角のチップ形状に切断することにより半導体発光素子１を形成した。形成した半導体発光素子１をステムにダイボンディングした後、半導体発光素子１のｐ側電極３０とステムの所定の位置とをワイヤボンディングして、半導体発光素子１を発光可能な状態にした。
【００４４】
作製された試料体１〜６に、それぞれ２０ｍＡの電流を通電して発光出力、及び順方向電圧を測定した。測定結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】
2011023504.tif 000003
【００４６】
表１に示すように、発光出力は、試料体１で１．９２ｍＷ、試料体２で１．９６ｍＷ、試料体３で１．９３ｍＷ、試料体４で１．９５ｍＷ、試料体５で１．６３ｍＷ、試料体６で１．９８ｍＷであった。また、順方向電圧は、試料体１で１，８８０Ｖ、試料体２で１．８９１Ｖ、試料体３で１．９２４Ｖ、試料体４で１．９２７Ｖ、試料体５で１，９６０Ｖ、試料体６で２．３１５Ｖであった。
【００４７】
図２は、アンドープ層の膜厚と発光出力及び順方向電圧との関係を示すグラフである。
【００４８】
図２に示すように、拡散抑制アンドープ層２７の成長時におけるＶ／ＩＩＩ比が一定の条件では、拡散抑制アンドープ層２７の膜厚が所定値より薄くなると発光出力が低下した。Ｖ／ＩＩＩ比が３５の場合、膜厚を２０ｎｍ以上とすることにより、比較的高い発光出力を得ることができた。
【００４９】
また、図２に示すように、拡散抑制アンドープ層２７の成長時におけるＶ／ＩＩＩ比が一定の条件、すなわち、Ｃ原子の濃度が一定の条件では、拡散抑制アンドープ層２７の膜厚が所定値より厚くなると順方向電圧が上昇した。ここで、Ｖ／ＩＩＩ比が増大すれば、拡散抑制アンドープ層２７中のＣ原子の濃度は減少する。具体的に、Ｖ／ＩＩＩ比が３５の場合、拡散抑制アンドープ層２７の膜厚を２００ｎｍ以下にすることにより、比較的低い順方向電圧（すなわち、２．０Ｖ以下）を得ることができた。すなわち、Ｖ／ＩＩＩ比が３５の場合は、拡散抑制アンドープ層２７の厚さを２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の膜厚にすることにより、発光特性の良好な発光ダイオード素子を製造することができた。
【００５０】
［実施例５、６、比較例３］
次に、実施例５、６として、拡散抑制アンドープ層２７の膜厚を２０ｎｍに固定して、成長時におけるＶ／ＩＩＩ比を３５、５０に変化させて試料体７、８を作製した。また、比較例３として、２０ｎｍの厚さの拡散抑制アンドープ層２７を、成長時におけるＶ／ＩＩＩ比を３０にして試料体９を作製した。ここで、試料体７〜９は、拡散抑制アンドープ層２７を除いて、試料体１〜６と同じ構成にした。作製された各試料体に、それぞれ２０ｍＡの電流を通電して初期の発光出力と、５０ｍＡで１６８時間通電した後の初期の発光出力に対する比率（以下、相対出力という）とを測定した。測定結果を表２に示す。
【００５１】
【表２】
2011023504.tif 000004
【００５２】
表２に示すように、発光出力は、試料体７で１．９２ｍＷ、試料体８で１．９４ｍＷ、試料体９で１．８５ｍＷであった。また、相対出力は、試料体７で９８％、試料体８で１０１％、試料体９で７５％であった。なお、Ｃ原子の濃度は、試料体７で５×１０１６ｃｍ−３、試料体８で１×１０１６ｃｍ−３（測定限界値）、試料体９で７．６×１０１６ｃｍ−３であった。
【００５３】
図３は、アンドープ層の成長時のＶ／ＩＩＩ比と発光出力及び相対出力の関係を示すグラフである。
【００５４】
図３に示すように、拡散抑制アンドープ層２７の成長時におけるＶ／ＩＩＩ比を変化させても、初期の発光出力に大きな変化はないが、Ｖ／ＩＩＩ比が所定値より低くなると相対出力が低下した。具体的に、Ｖ／ＩＩＩ比が３０以下となると相対出力が大幅に低下した。すなわち、拡散抑制アンドープ層２７のＣ原子濃度が５×１０１６ｃｍ−３を超えると、相対出力が低下することが確認された。
【００５５】
［実施例７，８、比較例４、５］
次に、抵抗アンドープ層２９の膜厚を変化させた試料体１０〜１３を作製して、電圧変動時の過電流により半導体発光素子１が破壊されるか否かと、順方向電圧の変化とを確認した。抵抗アンドープ層２９の膜厚を除いては、試料体１と同様の構成である。過電流による試験は、通常、使用電流２０ｍＡのところ、４００ｍＡの電流を使用する通電試験の条件で実施した。この結果を表３に示す。
【００５６】
【表３】
2011023504.tif 000005
【００５７】
表３に示すように、抵抗アンドープ層２９の膜厚が４００ｎｍ未満になると電圧変動に耐える十分な抵抗がないため、過電流により発光素子１が破壊された。また、抵抗アンドープ層２９の膜厚が１２００ｎｍを超えると順方向電圧が上昇した。これにより、抵抗アンドープ層２９の厚さは４００ｎｍ以上１２００ｎｍ以下が好ましいことが確認された。
【００５８】
［比較例６、７］
次に、比較例６、７として、介在層２６を省略した試料体１４、１５を作製した。試料体１４は、Ｖ／ＩＩＩ比を３５にして拡散抑制アンドープ層２７を２５０ｎｍ成長させた。また、試料体１５は、Ｖ／ＩＩＩ比を３０にして拡散抑制アンドープ層２７を２０ｎｍ成長させた。試料体１４、１５は、介在層２６及び拡散抑制アンドープ層２７を除いては、試料体１〜４と同様の構成である。これらの試料体１４、１５を、試料体１〜４と同様の条件で順方向電圧を測定したところ３．５Ｖであった。これにより、介在層２６の存在により順方向電圧が低下していることが確認された。
【００５９】
以上、本発明の実施の形態及び実施例を説明したが、上記に記載した実施の形態及び実施例は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態及び実施例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００６０】
１  半導体発光素子
１０  基板
２０  半導体積層部
２１  バッファ層
２２  光反射層
２３  ｎ型クラッド層
２４  活性層
２５  ｐ型クラッド層
２６  介在層
２７  拡散抑制アンドープ層
２８  電流分散層
２９  抵抗アンドープ層
３０  ｐ側電極
３１  ｎ側電極
【図１】
2011023504.tif 000006
【図２】
2011023504.tif 000007
【図３】
2011023504.tif 000008