(57)【要約】【課題】  活性層を含むｐ型ドーパント拡散部位を、結晶欠陥が少なくかつ結晶性の良好な結晶により構成し、ｐ型ドーパントの活性層への拡散を防止し、半導体レーザ、半導体発光ダイオードなどとして有用な半導体発光素子を提供する。【解決手段】  ｎ−ＧａＩｎＰ層６、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２、ｕｎ−ＭＱＷ活性層３、ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７ａ、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層７ｂ、ｐ−ＧａＩｎＰエッチストップ層８、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７ｃ、ｐ−ＧａＩｎＰ中間層９、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１０などを含む半導体発光素子１において、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２の表層２ａ、ｕｎ−ＭＱＷ活性層３、ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７ａおよび第１のｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７ｂの比Ｖ／ＩＩＩ比を３００、他のＡｌＧａＩｎＰ系層の比Ｖ／ＩＩＩを１５０に制御する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を載置する気相成長系内にＩＩＩ族元素の有機金属化合物とＶ族元素の有機金属化合物とを供給して、ｎ型第１クラッド層、活性層、ｐ型第２クラッド層およびＶ族元素とＩＩＩ族元素とを含有する前記以外の層を含むＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子を製造するに際し、
ｎ型第１クラッド層、活性層およびｐ型第２クラッド層をこの順番で積層し、
ｎ型第１クラッド層の活性層に接触する表層、活性層およびｐ型第２クラッド層またはその活性層に接触する表層から選ばれる少なくとも１層は、
ＩＩＩ族元素の有機金属化合物のモル流量で表される気相成長系内への供給量ＩＩＩと、Ｖ族元素の有機金属化合物のモル流量で表される気相成長系内への供給量Ｖとの比Ｖ／ＩＩＩが、他の層における比Ｖ／ＩＩＩよりも大きくなるようにＶ族元素の有機化合物およびＩＩＩ族元素の有機化合物を供給して形成されることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
ｐ型第２クラッド層は、活性層に接触する第１のｐ型第２クラッド層と、第１のｐ型第２クラッド層よりもＡｌ混晶比の低い第３層と、第１のｐ型第２クラッド層と同じ組成を有する第２のｐ型第２クラッド層とをこの順番で積層して含む積層体であり、
ｐ型第２クラッド層における比Ｖ／ＩＩＩを他の層よりも大きくして形成する層は、
第１のｐ型第２クラッド層またはその活性層に接触する表層、第３層および第２のｐ型第２クラッド層から選ばれる少なくとも１層であることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項３】
ｎ型第１クラッド層の活性層に接触する表層、活性層およびｐ型第２クラッド層の活性層に接触する表層または第１のｐ型第２クラッド層もしくはその活性層に接触する表層の比Ｖ／ＩＩＩは、
他の層における比Ｖ／ＩＩＩよりも大きいことを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
ｎ型第１クラッド層の活性層に接触する表層、活性層およびｐ型第２クラッド層またはその活性層に接触する表層から選ばれる少なくとも１層の比Ｖ／ＩＩＩは、
２００以上、４００以下であることを特徴とする請求項１または２記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
基板を載置する気相成長系内にＩＩＩ族元素の有機金属化合物とＶ族元素の有機金属化合物とを供給して、ｎ型第１クラッド層、活性層、ｐ型第２クラッド層およびＶ族元素とＩＩＩ族元素とを含有する前記以外の層を含むＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子を製造するに際し、
ｎ型第１クラッド層、活性層およびｐ型第２クラッド層をこの順番で積層し、
ｎ型第１クラッド層の活性層に接触する表層、活性層およびｐ型第２クラッド層またはその活性層に接触する表層から選ばれる少なくとも１層は、
その成長速度が他の層の成長速度よりも遅くなるように制御して形成されることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項６】
ｐ型第２クラッド層は、活性層に接触する第１のｐ型第２クラッド層と、第１のｐ型第２クラッド層よりもＡｌ混晶比の低い第３層と、第１のｐ型第２クラッド層と同じ組成を有する第２のｐ型第２クラッド層とをこの順番で積層して含む積層体であり、
ｐ型第２クラッド層における成長速度を他の層よりも遅く制御して形成する層は、
第１のｐ型第２クラッド層またはその活性層に接触する表層、第３層および第２のｐ型第２クラッド層から選ばれる少なくとも１層であることを特徴とする請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項７】
ｎ型第１クラッド層の活性層に接触する表層、活性層およびｐ型第２クラッド層またはその活性層に接触する表層から選ばれる少なくとも１層の成長速度は、
０．５μｍ／ｈ以上、２．０μｍ／ｈ以下であることを特徴とする請求項５または６記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項８】
ｐ型第２クラッド層は、
ＩＩＩ族元素の有機金属化合物およびＶ族元素の有機金属化合物とともに、ＭｇおよびＺｎの少なくとも１種であるドーパントを用いて形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項９】
ｐ型第２クラッド層は、
その活性層に接触する表層が、ＩＩＩ族元素の有機金属化合物およびＶ族の有機金属化合物のみから形成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１０】
活性層は多重量子井戸層であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１１】
半導体発光素子は、半導体レーザであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項１２】
半導体発光素子は、半導体発光ダイオードであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つ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、半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を利用してＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体を製造するに際し、Ｍｇ、ＺｎなどのＰ型ドーパントが用いられるけれども、いずれも結晶成長中、結晶成長後の熱処理中などに結晶内に拡散し易いという問題が広く認識されている。
【０００３】
このようなＰ型ドーパントの拡散を抑制するために、種々の半導体レーザが提案されている。たとえば、活性層とｐ型クラッド層との間に、ｐ型ドーパントの拡散抑止層として、ｐ型ドーパントが拡散し難いＡｌ混晶比の小さいＡｌＧａＩｎＰ層、ＡｌＧａＩｎＰ系結晶よりもｐ型ドーパントが拡散し難いＡｌＧａＡｓ系混晶層などを設けてなる半導体レーザ（たとえば、特許文献１〜２参照）などが提案されている。しかしながら、これらの従来技術のように、活性層およびｐ型クラッド層とは組成の異なる拡散抑止層を活性層とｐ型クラッド層との間に挿入すると、ｐ型クラッド層の組成が制限され、ｐ型クラッド層の組成として、ｐ型クラッド層が活性層近傍で光の閉じ込め効果を充分に示す組成を採用できない。その結果、光閉じ込め設計が非常に困難になり、所望の放射光強度分布を有する半導体レーザが得られない。また、発光ダイオードとして用いる場合でも、Ａｌ混晶比の小さいＡｌＧａＩｎＰ層、ＡｌＧａＡｓ系混晶層などが存在すると、光の透過率を減じて発光効率を低下させる。また、組成の異なる層を１層でも設けると層構成が複雑になり、生産コストが上昇する。
【０００４】
また、活性層とｐ型クラッド層との間に、ｐ型ドーパントとともにＳｅをドーピングしてなるＡｌＧａＩｎＰ層、ｐ型ドーパントとともにＳｉをドーピングしてなるＡｌＧａＩｎＰ層などのｐ型ドーパント拡散抑止層を設けてなる半導体レーザが提案されている（たとえば、特許文献３〜４参照）。ここで用いられるＳｅおよびＳｉはｎ型ドーパントである。すなわち、これらの従来技術における拡散抑止層は、ｐ型ドーパントおよびｎ型ドーパントの両方をドーピングしてなるＡｌＧａＩｎＰからなる層である。このような従来技術においては、ｎ型ドーパントはｐ型ドーパントを補償するように作用するため、所望のキャリア濃度を得るためには、ｎ型ドーパントのドープ量よりもｐ型ドーパントを多くドープする必要がある。しかしながら、ドープ量が多いほど結晶欠陥が多くなり、結晶性が悪化するので、良質な結晶を得るのが困難になる。その結果、半導体レーザとしての使用では閾値電流が高くなるという問題が生じ、半導体発光ダイオードとしての使用では発光強度が低下するという問題が生じる。
【０００５】
また、特許文献１〜４の技術の様に、組成の異なる結晶層、ｎ型ドーパントをドーピングした層などを設けるのではなく、比較的単純な層構成でｐ型ドーパントの活性層への拡散を防止した半導体レーザが提案されている（たとえば特許文献５）。図１２は、特許文献５に開示される半導体レーザ４０の要部の構成を模式的に示す断面図である。半導体レーザ４０は、ｎ型ＧａＡｓ基板４１と、該基板４１上に形成されるｎ型クラッド層４２および活性層４３と、該活性層４３上にＺｎ拡散抑止層として形成されるＡｌＧａＩｎＰクラッド層４４およびＧａＩｎＰ層４５と、ＧａＩｎＰ層４５上に形成されるｐ型クラッド層４６とを含み、図示しないけれどもｐ型クラッド層４６の上にはさらにｐ型コンタクト層が順次形成される。この半導体レーザによれば、ｐ型クラッド層４６よりもｐ型ドーパントの拡散定数が低い材料で構成されるＡｌＧａＩｎＰクラッド層４４およびＧａＩｎＰ層４５を設けることによって、Ｚｎの拡散がＧａＩｎＰ層４５を経てＡｌＧａＩｎＰクラッド層４４で止まり、活性層４３まで拡散するのが防止される。しかしながら、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４４の一部はＺｎの拡散によりｐ型化されるけれども、その部分におけるドーピング界面が急峻にならないという問題がある。
【０００６】
図１０は、ｐ型ドーパントをドーピングしたｐ型ドープ層と、ｐ型ドーパントをドーピングしないアンドープ層とが接触下にある場合の、両層の界面を基準にするｐ型ドーパント濃度の変化を模式的に示す図である。図において、横軸の「０」の位置が両層の界面である。両層の界面では、両層のｐ型ドーパント濃度が等しくなり、見掛け上ｐ型ドーパントの拡散がない状態になる。また、縦軸のｐ型ドーパント濃度におけるＡの濃度が、ｐ型ドープ層におけるｐ型ドーパント濃度を示す。さらに、図中、破線は、アンドープ層がｐ型ドーパントの拡散定数が小さい材料で形成される場合のｐ型ドーパント濃度の変化を示し、一点破線は、アンドープ層が破線で示す場合よりもｐ型ドーパントの拡散定数が大きい材料で形成される場合のｐ型ドーパント濃度の変化を示す。図１０から明らかなように、ｐ型ドーパント濃度はｐ型ドープ層からアンドープ層に向けてなだらかな減少勾配を示す。このような減少勾配をｐ型ドーパント濃度の「だれ」と呼び、だれはアンドープ層を構成する結晶の拡散定数が大きくなるに従って一層なだらかになる。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−３３５６８３号公報
【特許文献２】特開２００３−１１０２００号公報
【特許文献３】特開平６−１６４０５４号公報
【特許文献４】特開平４−２７５４７９号公報
【特許文献５】特開平５−２９１６８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ｎ型クラッド層と、活性層（発光層）と、ｐ型クラッド層とをこの順番で積層した基本構造を持つ半導体発光素子において、活性層とｐ型クラッド層との間でｐ型ドーパント濃度のだれがなだらかになり、ｐ型クラッド層のｐ型ドーパント濃度が活性層に近づくにつれて徐々に低下すると、電流注入時にキャリアである電子を活性層に閉じ込めるというｐ型クラッド層の作用が弱くなるという現象が発生する。図１１（ａ）は、ｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層との積層構造を有する半導体発光素子において、活性層がｐ型ドーパントを拡散させない結晶で構成され、ｐ型クラッド層から活性層へのｐ型ドーパントの拡散がない場合の、熱平衡時および電流注入時のエネルギ帯図である。図１１（ｂ）は、活性層がｐ型ドーパントの拡散定数が大きい結晶で構成され、ｐ型クラッド層から活性層へのｐ型ドーパントの拡散がある場合の、熱平衡時および電流注入時のエネルギ帯図である。ただし、図１１では説明を簡略化するために、バンド不連続によるノッチは図示を省略する。図１１から、活性層がｐ型ドーパントを拡散させ得ない場合には、キャリアである電子ｅはｐ型クラッド層に漏れることなく、活性層においてキャリアである正孔ｈと結合するのに対し、活性層にｐ型ドーパントが拡散する場合は、ｐ型クラッド層のｐ型ドーパント濃度が活性層との界面で低下してエネルギ障壁を充分に高めることができないため、活性層で正孔ｈと結合せずにｐ型クラッド層に漏れる電子ｅが現れる。その結果、たとえば半導体レーザでは閾値電流の増加、特に高温作動時の閾値電流の増加という不都合が生じる。また、ＬＥＤでは、発光効率の低下、特に高温作動時の発光効率の低下という不都合を生じる。
【０００９】
したがって、活性層においてｐ型ドーパントが拡散し易いか否かは、半導体レーザ、発光ダイオードなどの性能に大きな影響を及ぼす要因になる。ｐ型ドーパントが拡散し易い結晶である否かは、その結晶の結晶性に拠るところが大きい。本発明者の研究によれば、結晶欠陥が多い結晶ほどｐ型ドーパント濃度の活性層界面におけるだれの度合が大きくなり、急峻性が低下する。Ｚｎ、Ｍｇなどのｐ型ドーパントは、正常な結晶からＰ（リン）が脱落した状態の空孔などの結晶欠陥に入れ替わって拡散するものと考えられることから、結晶欠陥が多く結晶性の悪い結晶ほどｐ型ドーパントの拡散が多いと推測される。
【００１０】
本発明の目的は、ｐ型ドーパントの拡散に係わる部位を結晶欠陥が少なく結晶性の良好な結晶により構成し、該部位におけるｐ型ドーパント濃度勾配が急峻になり、ｐ型ドーパントの活性層への拡散が著しく低減化された半導体発光素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、
基板を載置する気相成長系内にＩＩＩ族元素の有機金属化合物とＶ族元素の有機金属化合物とを供給して、ｎ型第１クラッド層、活性層、ｐ型第２クラッド層およびＶ族元素とＩＩＩ族元素とを含有する前記以外の層を含むＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子を製造するに際し、
ｎ型第１クラッド層、活性層およびｐ型第２クラッド層をこの順番で積層し、
ｎ型第１クラッド層の活性層に接触する表層、活性層およびｐ型第２クラッド層またはその活性層に接触する表層から選ばれる少なくとも１層が、
ＩＩＩ族元素の有機金属化合物のモル流量で表される気相成長系内への供給量ＩＩＩと、Ｖ族元素の有機金属化合物のモル流量で表される気相成長系内への供給量Ｖとの比Ｖ／ＩＩＩが、他の層における比Ｖ／ＩＩＩよりも大きくなるようにＶ族元素の有機化合物およびＩＩＩ族元素の有機化合物を供給して形成されることを特徴とする半導体発光素子の製造方法である。
【００１２】
また本発明の半導体発光素子の製造方法は、
ｐ型第２クラッド層は、活性層に接触する第１のｐ型第２クラッド層と、第１のｐ型第２クラッド層よりもＡｌ混晶比の低い第３層と、第１のｐ型第２クラッド層と同じ組成を有する第２のｐ型第２クラッド層とをこの順番で積層して含む積層体であり、
ｐ型第２クラッド層における比Ｖ／ＩＩＩを他の層よりも大きくして形成する層が、
第１のｐ型第２クラッド層またはその活性層に接触する表層、第３層および第２のｐ型第２クラッド層から選ばれる少なくとも１層であることを特徴とする。
【００１３】
さらに本発明の半導体発光素子の製造方法は、
ｎ型第１クラッド層の活性層に接触する表層、活性層およびｐ型第２クラッド層の活性層に接触する表層または第１のｐ型第２クラッド層もしくはその活性層に接触する表層の比Ｖ／ＩＩＩが、他の層における比Ｖ／ＩＩＩよりも大きいことを特徴とする。
【００１４】
さらに本発明の半導体発光素子の製造方法は、
ｎ型第１クラッド層の活性層に接触する表層、活性層およびｐ型第２クラッド層またはその活性層に接触する表層から選ばれる少なくとも１層の比Ｖ／ＩＩＩが、２００以上、４００以下であることを特徴とする。
【００１５】
また本発明の半導体発光素子の製造方法は、
基板を載置する気相成長系内にＩＩＩ族元素の有機金属化合物とＶ族元素の有機金属化合物とを供給して、ｎ型第１クラッド層、活性層、ｐ型第２クラッド層およびＶ族元素とＩＩＩ族元素とを含有する前記以外の層を含むＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子を製造するに際し、
ｎ型第１クラッド層、活性層およびｐ型第２クラッド層をこの順番で積層し、
ｎ型第１クラッド層の活性層に接触する表層、活性層およびｐ型第２クラッド層またはその活性層に接触する表層から選ばれる少なくとも１層の成長速度が、他の層の成長速度よりも遅くなるように制御して形成されることを特徴とする。
【００１６】
さらに本発明の半導体発光素子の製造方法は、
ｐ型第２クラッド層が、活性層に接触する第１のｐ型第２クラッド層と、第１のｐ型第２クラッド層よりもＡｌ混晶比の低い第３層と、第１のｐ型第２クラッド層と同じ組成を有する第２のｐ型第２クラッド層とをこの順番で積層して含む積層体であり、
ｐ型第２クラッド層における成長速度を他の層よりも遅く制御して形成する層が、
第１のｐ型第２クラッド層またはその活性層に接触する表層、第３層および第２のｐ型第２クラッド層から選ばれる少なくとも１層であることを特徴とする。
【００１７】
さらに本発明の半導体発光素子の製造方法は、
ｎ型第１クラッド層の活性層に接触する表層、活性層およびｐ型第２クラッド層またはその活性層に接触する表層から選ばれる少なくとも１層の成長速度が、０．５μｍ／ｈ以上、２．０μｍ／ｈ以下であることを特徴とする。
【００１８】
さらに本発明の半導体発光素子の製造方法は、
ｐ型第２クラッド層が、
ＩＩＩ族元素の有機金属化合物およびＶ族元素の有機金属化合物とともに、ＭｇおよびＺｎの少なくとも１種であるドーパントを用いて形成されることを特徴とする。
【００１９】
さらに本発明の半導体発光素子の製造方法は、
ｐ型第２クラッド層の表層が、
ＩＩＩ族元素の有機金属化合物およびＶ族の有機金属化合物のみから形成されることを特徴とする。
【００２０】
さらに本発明の半導体発光素子の製造方法は、活性層が多重量子井戸層であることを特徴とする。
【００２１】
さらに本発明の半導体発光素子の製造方法は、半導体発光素子が、半導体レーザであることを特徴とする。
【００２２】
さらに本発明の半導体発光素子の製造方法は、半導体発光素子が、半導体発光ダイオードであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、基板を載置する気相成長系内にＩＩＩ族元素の有機金属化合物（以後「有機金属化合物（ＩＩＩ）」と称す）とＶ族元素の有機金属化合物（以後「有機金属化合物（Ｖ）」と称す）とを供給し、ｎ型第１クラッド層、活性層およびｐ型第２クラッド層ならびにこれらの層以外の層を含むＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子を製造するに際し、（イ）ｐ型ドーパントの拡散に係わる部位（以後「ｐ型ドーパント拡散部位」と称す）をｎ型第１クラッド層、活性層およびｐ型第２クラッド層がこの順番で積層された構成とし、（ロ）ｎ型第１クラッド層の活性層に接触する表層（以後特に断らない限り単に「ｎ型第１クラッド層の表層」と称す）、活性層およびｐ型第２クラッド層またはその活性層に接触する表層（以後特に断らない限り単に「ｐ型第２クラッド層の表層」と称す）のうちの少なくとも１層を、有機金属化合物（ＩＩＩ）の気相成長系への供給量ＩＩＩ（モル流量）と有機金属化合物（Ｖ）の気相成長系への供給量Ｖ（モル流量）との比Ｖ／ＩＩＩが、他の層における比Ｖ／ＩＩＩよりも大きくなるように制御して形成する半導体発光素子の製造方法が提供される。本発明の製造方法によれば、ｐ型ドーパント拡散部位の結晶性が向上し、ｐ型ドーパントの濃度勾配が急峻性の高いものとなり、結果的にｐ型ドーパントの活性層への拡散が著しく防止される。したがって、本発明の製造方法により得られる半導体発光素子は、電流注入時に、電子がｐ型第２クラッド層に漏れ難いので、半導体レーザとして用いる場合には閾値電流が低く、半導体発光ダイオードとして用いる場合には発光効率が高く、しかもこれらの特性は高温下での使用でも劣化することがない。
【００２４】
本発明によれば、本発明の半導体発光素子の製造方法において、ｐ型第２クラッド層を、活性層に接触する第１のｐ型第２クラッド層と、第１のｐ型第２クラッド層よりもＡｌ混晶比の低い第３層と、第１のｐ型第２クラッド層と同じＡｌ混晶比を有する第２のｐ型第２クラッド層とをこの順番で積層して構成し、ｐ型第２クラッド層における比Ｖ／ＩＩＩを他の層よりも大きくして形成する層が、第１のｐ型第２クラッド層またはその活性層に接触する表層（以後特に断らない限り単に「第１のｐ型第２クラッド層の表層」と称す）、第３層および第２のｐ型第２クラッド層から選ばれる少なくとも１層とすることができる。このような構成を採ることによって、ｐ型クラッド層としての機能を低下させることなく、ｐ型ドーパントの拡散が一層防止され、半導体発光素子の性能が長期にわたって高水準で保持される。
【００２５】
本発明によれば、ｐ型ドーパント拡散部位を構成する各層の中でも、特に、ｎ型第１クラッド層の表層、活性層およびｐ型第２クラッド層の表層または第１のｐ型第２クラッド層もしくはその活性層に接触する表層（以後特に断らない限り単に「第１のｐ型第２クラッド層の表層」と称す）の比Ｖ／ＩＩＩを、他の層の比Ｖ／ＩＩＩよりも大きくすることによって、ｐ型ドーパントの拡散を効率的にかつ充分に防止できる。
【００２６】
本発明によれば、ｎ型第１クラッド層の表層、活性層およびｐ型第２クラッド層またはその表層の比Ｖ／ＩＩＩを２００以上、４００以下にすることによって、ｐ型ドーパントの拡散が充分に防止された半導体発光素子を安定的に製造でき、半導体発光素子の不良品率が著しく低くなる。さらに、前記範囲であれば、原料ガスの気相反応系への供給を円滑にかつ低コストで半導体発光素子を製造できる。
【００２７】
本発明によれば、基板を載置する気相成長系内に有機金属化合物（ＩＩＩ）と有機金属化合物（Ｖ）とを供給し、ｎ型第１クラッド層、活性層およびｐ型第２クラッド層ならびにこれらの層以外の層を含むＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子を製造するに際し、（イ）ｐ型ドーパント拡散部位をｎ型第１クラッド層、活性層およびｐ型第２クラッド層がこの順番で積層された構成とし、（ロ）ｎ型第１クラッド層の表層、活性層およびｐ型第２クラッド層またはその表層のうちの少なくとも１層を、その成長速度が他の層の成長速度よりも遅くなるように制御することによっても、ｐ型ドーパント拡散部位の結晶性が向上し、ｐ型ドーパントの濃度勾配が急峻性の高いものとなり、結果的にｐ型ドーパントの活性層への拡散が著しく防止される。
【００２８】
本発明によれば、本発明の半導体発光素子の製造方法において、ｐ型第２クラッド層を、活性層に接触する第１のｐ型第２クラッド層と、第１のｐ型第２クラッド層よりもＡｌ混晶比の低い第３層と、第１のｐ型第２クラッド層と同じＡｌ混晶比を有する第２のｐ型第２クラッド層とをこの順番で積層して構成し、ｐ型第２クラッド層における成長速度を他の層の成長速度よりも遅くして形成する層が、第１のｐ型第２クラッド層またはその表層、第３層および第２のｐ型第２クラッド層から選ばれる少なくとも１層とすることができる。このような構成を採ることによって、ｐ型クラッド層としての機能を低下させることなく、ｐ型ドーパントの拡散防止効果がさらに向上し、半導体発光素子の性能が長期にわたって高水準で保持される。
【００２９】
本発明によれば、ｐ型ドーパント拡散部位であるｎ型第１クラッド層の表層、活性層およびｐ型第２クラッド層またはその表層から選ばれる少なくとも１層の成長速度を、他の層の成長速度よりも遅く制御し、好ましくは０．５μｍ／ｈ以上、２．０μｍ／ｈ以下にすることによって、ｐ型ドーパント拡散部位の結晶性をさらに向上させ、結晶欠陥を一層減少させ、ｐ型ドーパントの拡散部位における濃度勾配を一層急峻なものとすることができる。その結果、得られる半導体発光素子を半導体レーザ、半導体発光ダイオードなどに用いる場合の性能（閾値電流、発光効率など）のさらなる向上を図ることができ、また長期的にわたって高水準の性能が安定的に発揮される。
【００３０】
本発明によれば、有機金属化合物（ＩＩＩ）および有機金属化合物（Ｖ）を用いてｐ型第２クラッド層を形成する際、ｐ型ドーパントとしてＭｇおよび／またはＺｎを用いることによって、本発明の半導体発光素子のｐ型ドーパント拡散部位におけるｐ型ドーパントの拡散を効率的に防止できる。すなわち、本発明の方法によってｐ型ドーパント拡散部位に形成される結晶の結晶性が、ｐ型ドーパントの中でも特にＭｇおよびＺｎの拡散防止に有効であることが判明した。したがって、ｐ型ドーパントとしてＭｇおよび／またはＺｎを用いことによって、半導体レーザ、半導体発光ダイオードなどとして有用でありかつ高性能（閾値電流の低さ、発光効率の高さなど）の半導体発光素子が得られる。
【００３１】
本発明によれば、ｐ型第２クラッド層の表層を、有機金属化合物（ＩＩＩ）と有機金属化合物（Ｖ）のみから形成することによって、活性層にｐ型ドーパントが分散するのが顕著に防止される。
【００３２】
本発明によれば、活性層を多重量子井戸層として構成し、さらに本発明の製造方法の条件、たとえば、ｐ型ドーパント拡散部位に含まれる層の少なくとも１層の比Ｖ／ＩＩＩを他の層よりも大きくすること、ｐ型ドーパント拡散部位に含まれる層の少なくとも１層の成長速度を他の層よりも遅くすることなどを組み合わせることによって、ｐ型ドーパント拡散部位の結晶性を、ｐ型ドーパントの拡散防止を図る上で最適化できる。また、このようにすれば、本発明の半導体発光素子を効率良く製造でき、不良品率の著しい低減化を実現できる。
【００３３】
本発明によれば、本発明の製造方法により得られる半導体発光素子は、半導体レーザとして用いる場合に、閾値電流が低く、高温使用時でも閾値電流の低さが損なわれないという優れた性能を発揮する。
【００３４】
本発明によれば、本発明の製造方法により得られる半導体発光素子は、半導体発光ダイオードとして用いる場合、発光効率が高く、さらに輝度および鮮明度の高い光を発光でき、高温使用時でも前記諸性能が損なわれないという優れた性能を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明は、気相成長系内に有機金属化合物（ＩＩＩ）および有機金属化合物（Ｖ）、さらに必要に応じてｎ型またはｐ型ドーパントを供給して、ｎ型第１クラッド層、活性層（発光層）およびｐ型第２クラッド層をこの順番で積層した積層構造をｐ型ドーパント拡散部位として含むＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子を製造する方法であり、ｐ型ドーパント拡散部位に含まれる３層のうちの少なくとも１層における、有機金属化合物（ＩＩＩ）の供給量ＩＩＩ（モル流量、モル／ｍｉｎ）と、有機金属化合物（Ｖ）の供給量Ｖ（モル流量、モル／ｍｉｎ）との比Ｖ／ＩＩＩが、それ以外の層における比Ｖ／ＩＩＩよりも大きくなるように制御することを特徴とする。
【００３６】
また、本発明のＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子の製造方法においては、ｐ型ドーパント拡散部位を構成する３層のうちの少なくとも１層の成長速度を、他の層の成長速度よりも遅くなるように制御することもできる。
【００３７】
また、本発明のＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子の製造方法においては、ｐ型ドーパント拡散部位を構成する３層のうちの少なくとも１層において、比Ｖ／ＩＩＩを他の層よりも大きくするとともに、その成長速度を他の層よりも遅くなるように制御してもよい。
【００３８】
ここで、本発明の制御を受けずに形成される他の層とは、制御の対象になる層を除く、ＡｌＧａＩｎＰの組成を有する層（ＡｌＧａＩｎＰ系層）を意味する。
【００３９】
以後、比Ｖ／ＩＩＩを他の層よりも大きくする制御および成長速度を他の層よりも遅くする制御を、特に断らない限り、本発明の制御と総称する。
【００４０】
ｐ型ドーパント拡散部位である積層構造のうち、ｎ型第１クラッド層が本発明の制御の対象になる場合は、ｎ型第１クラッド層は複数の薄層を積層して形成され、ｎ型第１クラッド層を構成する複数の薄層のうち、活性層に接するように形成される薄層（ｎ型第１クラッド層の表層）が、本発明の制御を受けて形成される。
【００４１】
活性層が本発明の制御の対象になる場合は、活性層全体が、本発明の制御を受けて形成される。
【００４２】
ｐ型第２クラッド層が本発明の制御の対象になる場合は、ｐ型第２クラッド層全体または複数の薄層の積層体として形成されるｐ型第２クラッド層の活性層に接するように形成される薄層（ｐ型第２クラッド層の表層）が、本発明の制御を受けて形成される。また、ｐ型第２クラッド層が、活性層に接触する第１のｐ型第２クラッド層と、第１のｐ型第２クラッド層よりもＡｌ混晶比の低い第３層と、第１のｐ型第２クラッド層と同じ組成を有する第２のｐ型第２クラッド層とをこの順番で積層してなる積層構造である場合は、第１のｐ型第２クラッド層またはその表層、第３層および第２のｐ型第２クラッド層から選ばれる少なくとも１層、好ましくは第１のｐ型第２クラッド層またはその表層が、本発明の制御を受けて形成される。
【００４３】
ｎ型第１クラッド層の表層、活性層およびｐ型第２クラッド層またはその表層は、少なくとも１層が本発明の制御を受けて形成されればよいけれども、好ましくはこれら３つの層が本発明の制御を受けて形成されるのがよい。なお、これら３層のどの層を本発明の制御下に形成するかは、得ようとする半導体発光素子の用途、該半導体発光素子の設定性能、反応温度、反応速度、原料になる有機金属化合物およびドーパントの種類、製造コストなどの各種条件を勘案して適宜選択すればよい。
【００４４】
比Ｖ／ＩＩＩが他の層よりも大きくなるように制御して、ｎ型第１クラッド層の表層、活性層およびｐ型第２クラッド層（もしくはその表層または第１のｐ型第２クラッド層もしくはその表層）の少なくとも１層を形成するに際し、該層における比Ｖ／ＩＩＩの値は特に制限されず、広い範囲から適宜選択できるけれども、好ましくは２００以上、４００以下である。比Ｖ／ＩＩＩをこの範囲から選択し、他の層の比Ｖ／ＩＩＩをそれよりも低くすることによって、ｐ型ドーパント拡散部位の結晶性が向上し、ｐ型ドーパントの拡散を防止し、該拡散部位におけるｐ型ドーパントの濃度勾配をより急峻性の高いものにすることができる。２００未満では、ｐ型ドーパントの拡散防止効果が不充分になるおそれがある。４００を超えると却って結晶性が悪化するおそれがあり、さらに製造コストが大幅に上昇することから現実的ではない。
【００４５】
成長速度が他の層よりも遅くなるように制御して、ｎ型第１クラッド層の表層、活性層およびｐ型第２クラッド層（もしくはその表層または第１のｐ型第２クラッド層もしくはその表層）の少なくとも１層を形成するに際し、該層における成長速度は特に制限されず、広い範囲から適宜選択できるけれども、好ましくは０．５μｍ／ｈ以上、２．０μｍ／ｈ以下である。０．５μｍ／ｈ未満では結晶性が悪化するおそれがあり、一方２．０μｍ／ｈを超えて成長速度を上げても、ｐ型ドーパント拡散防止効果のそれ以上の大幅な向上が認められず、不経済である。また、各層の膜厚の微妙な制御も困難になる。
【００４６】
成長速度は公知の方法に従って制御でき、たとえば、反応温度、原料ガスの供給量などを適宜変更することによって実施できる。ｐ型ドーパント拡散部位においてどの層の成長速度を遅くするかは、得られる半導体発光素子の用途、該半導体発光素子の設定性能、成長速度を遅くする層の組成、原料になる有機金属化合物およびドーパントの種類、反応温度、製造コストなどの各種条件に応じて適宜選択すればよい。
【００４７】
本発明の製造方法において、基板には、好ましくはＧａＡｓ基板、さらに好ましくはｎ型ＧａＡｓ基板が用いられる。
【００４８】
ｎ型第１クラッド層、活性層およびｐ型第２クラッド層ならびに前記以外の層の形成に用いられる有機金属化合物（ＩＩＩ）としては、Ａｌ、Ｇａ、ＩｎなどのＩＩＩ族元素を含む公知の有機金属化合物を使用でき、たとえば、トリメチルアルミニウム（以後「ＴＭＡｌ」と称す）、トリメチルガリウム（以後「ＴＭＧａ」と称す）、トリメチルインジウム（以後「ＴＭＩｎ」と称す）などのアルキル系有機金属化合物などが挙げられる。有機金属化合物（Ｖ）としても、Ａｓ、ＰなどのＶ族元素を含む公知の有機金属化合物を使用でき、たとえば、アルシン（ＡｓＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）などが挙げられる。有機金属化合物（ＩＩＩ）および有機金属化合物（Ｖ）はガス状の形態で使用され、それぞれ、１種を単独でまたは２種以上を併用して使用できる。
【００４９】
ｎ型ドーパントとしてはシリコン、ゲルマニウム、セレン、イオウなどが挙げられ、有機金属化合物の形態で気相成長系内に供給するのが好ましい。ｎ型ドーパントを含む有機金属化合物としては公知のものを使用でき、たとえば、セレン化水素（Ｈ２Ｓｅ）、シラン（ＳｉＨ４）、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）などが挙げられる。
【００５０】
ｐ型ドーパントとしては、好ましくは亜鉛、マグネシウムなどが挙げられ、ｎ型ドーパントと同様に、有機金属化合物の形態で気相成長系内に供給するのが好ましい。ｐ型ドーパントを含む有機金属化合物としては公知のものを使用でき、たとえば、ジエチル亜鉛（以後「ＤＥＺｎ」と称す）、ジメチル亜鉛（以後「ＤＭＺｎ」と称す）、シクロペンタジエニルマグネシウム（以後「Ｃｐ２Ｍｇ」と称す）などが挙げられる。
なお、活性層は多重量子井戸（ＭＱＷ）層として構成するのが好ましい。
【００５１】
また、ｐ型第２クラッド層は、有機金属化合物（ＩＩＩ）および有機金属化合物（Ｖ）とともに、Ｚｎ、Ｍｇなどのｐ型ドーパントを含むように形成するのが好ましい。ｐ型第２クラッド層の表層は、有機金属化合物（ＩＩＩ）と有機金属化合物（Ｖ）のみを用いて形成するのが好ましい。
【００５２】
本発明の製造方法においては、ｎ型第１クラッド層、活性層、ｐ型第２クラッド層、前記以外の構成層などの各層を気相成長させることによって、または気相成長させた後、必要に応じて、エッチング、フォトリソグラフィ、金属蒸着、切断などの公知の処理手段に従って加工することによって、本発明の半導体発光素子を製造できる。
【００５３】
ｎ型第１クラッド層、活性層、ｐ型第２クラッド層および前記以外の構成層の気相成長は、たとえば、一般的な有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）装置を用いて実施される。図９（ａ）は一般的な有機金属化学気相成長装置１（以後単に「気相成長装置１」と称す）の構成を模式的に示す断面図である。図９（ｂ）は気相成長装置３１におけるサセプタ（基板保持具）３５の構成を模式的に示す上面図である。気相成長装置３１は、上部に原料ガス導入口３３および下部の端部にガス排出口３４を有する反応室３２と、反応室３２内に設けられ、その上面３６に複数の基板４を保持するサセプタ３５と、サセプタ３５の下部に設けられ、サセプタ３５の上面３６に保持される基板４を加熱する加熱手段である図示しない高周波コイルと、サセプタ３５の下部に設けられ、サセプタ３５の温度を測定してサセプタ３５の温度を制御するための放射温度計とを含んで構成される。この気相成長装置３１によれば、サセプタ３５の上面３６に基板４を載置し、高周波コイルに高周波電流を流してサセプタ３５を誘導加熱し、それによって基板４を加熱した状態で、原料ガス導入口３３から基板４の表面に所定比の原料ガス３７を導入し、基板４上で気相成長反応を生起させて所定の層を形成し、反応後の排ガス３８をガス排出口３４から排出する。これによって、基板４上に所望の層が形成される。
【００５４】
ここで、所望の層がＡｌＧａＩｎＰ活性層である場合は、たとえば、ガス状の、ホスフィン、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａおよびＴＭＩｎが原料として使用される。その際の比Ｖ／ＩＩＩは、
Ｖ／ＩＩＩ＝［ホスフィン］／（［ＴＭＡｌ］＋［ＴＭＧａ］＋［ＴＭＩｎ］）
で表される。ここで、［原料］は各原料のモル流量を示す。ｎ型第１クラッド層、ｐ型第２クラッド層なども同様にして形成される。
【００５５】
本発明の製造方法を実施するに際しては、気相成長装置１に限定されず、従来から知られる種々の有機金属化学気相成長装置を使用できる。
【００５６】
このようにして得られる本発明の半導体発光素子は、ｐ型ドーパント拡散部位に含まれる３つの層とともに、有機金属化合物（ＩＩＩ）と有機金属化合物（Ｖ）とを含有し、さらに必要に応じてｎ型またはｐ型ドーパントを含有する前記以外の構成層を含むことができる。前記以外の構成層としては、この分野で知られる全ての層が包含され、たとえば、バッファ層、ＤＢＲ層、キャップ層、コンタクト層、電流拡散層、電流狭窄層（または電流ブロック層または絶縁膜）、ガイド層などが挙げられる。この前記以外の層は、従来技術と同様に、基板とｐ型ドーパント拡散部位の積層構造との間（積層構造の下層）、ｐ型ドーパント拡散部位の積層構造の基板とは反対側（積層構造の上層）などに形成される。前記以外の構成層の１または２以上を適宜組み合わせることによって、種々の積層構造を有する半導体発光素子を得ることができる。
【００５７】
すなわち、本発明の製造方法により得られるＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子は、ｐ型ドーパント拡散部位に含まれる３つの層のうち少なくとも１層が、比Ｖ／ＩＩＩを他の層よりは大きすることおよび／または成長速度を他の層よりも遅くすることにより形成され、他の部分は従来の半導体発光素子と同様に、前記以外の構成層の１または２以上を組み合わせて形成できる。
【００５８】
本発明の製造方法により得られるＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子は、たとえば、半導体レーザ、半導体発光ダイオードなどとして好適に使用できる。
【実施例】
【００５９】
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。
以下の各実施例では最終製造物は半導体レーザまたは半導体発光ダイオードであるけれども、以下の各実施例に示されるｐ型ドーパント拡散部位における積層構造の製造は、半導体レーザおよび半導体発光ダイオード以外の用途に使用される半導体発光素子の製造にも適用が可能である。
【００６０】
また、以下の各実施例では、ｐ型ドーパント拡散部位を有機金属化合物気相成長法により形成して得られる各層に、必要に応じて、エッチング、フォトリソグラフィ、金属蒸着、切断などの処理を施して半導体発光素子を製造するけれども、これらの処理は従来技術と同様であることから、これらの処理に関する説明を省略し、本発明の製造方法の特徴であるｐ型ドーパント拡散部位の積層構造の結晶成長工程について詳述する。
【００６１】
また、以下の各実施例では、基板表面の温度は、アルミニウムの溶融温度および炭素の輻射によって較正した放射温度計で測定した。
【００６２】
また、以下の各実施例では、ｐ型ドーパント拡散部位を構成する各層およびそれ以外の構成層について組成のみを示し、組成比については示していないけれども、各組成はそれぞれ公知の組成比を採ることができる。たとえば、ＡｌＧａＩｎＰであれば、組成比は（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（式中、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）である。該組成比において、一般的にはＧａＡｓと概略格子整合となる混晶比（ｙ≒０．５）が採られるけれども、量子井戸構造をとる場合、吸収波長、発光波長の調整のために格子整合する条件から意図的にずらして用いる場合などがあるので、ｘおよびｙの値は前記範囲の中から適宜選択することができる。また、組成の前に付与するｎ−はｎ型を意味し、ｐ−はｐ型を意味し、ｕｎ−はアンドープを意味する。
【００６３】
（実施例１）
図１は、本発明の実施の第１形態である半導体発光素子１に用いるエピウェハの層構成を模式的に示す断面図である。
【００６４】
半導体発光素子１は、ｎ−ＧａＡｓ基板４上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層５（膜厚０．２５μｍ）、ｎ−ＧａＩｎＰ層６（膜厚０．２５μｍ）、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２（膜厚２．５μｍ）、ｕｎ−ＭＱＷ活性層３（膜厚０．１μｍ）、ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７ａ（膜厚０．０５μｍ）、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層７ｂ（膜厚０．２μｍ）、ｐ−ＧａＩｎＰエッチストップ層８（０．０１μｍ）、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層７ｃ（１．２μｍ）、ｐ−ＧａＩｎＰ中間層９（膜厚０．０４μｍ）およびｐ−ＧａＡｓキャップ層１０（膜厚０．５μｍ）を順次積層したものであり、本エピウェハにリッジ形状を形成した後、ｐ側電極１１、電流阻止層１２、メッキ電極１３を形成し、さらに、ｎ−ＧａＡｓ基板４のｎ−ＧａＡｓバッファ層５が積層される面とは反対側の面にはｎ側電極１４が形成され、半導体レーザとして用いられる。
【００６５】
半導体発光素子１において、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２、ｕｎ−ＭＱＷ活性層３およびｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層７ｂを含む部分が、ｐ型ドーパント拡散部位である。
【００６６】
図２は、半導体発光素子１における各層を気相成長装置３１において成長させるための基板温度および原料ガス導入パターンを経時的に示すダイアグラムである。半導体発光素子１は、図２に示すように昇温および原料ガスの供給を行うことによって製造した。また、ｐ型ドーパントとしてはＭｇを用いた。
【００６７】
まず、ＧａＡｓ基板４を気相成長装置３１の反応室３２内のサセプタ３５上に配置し、反応室３２内を減圧にした後、ＧａＡｓ基板４の温度を上昇させるとともに、反応室３２内にＡｓＨ３ガス（Ｖ族原料ガス）を導入した。ＧａＡｓ基板４の温度を第１ＧａＡｓバッファ層の成長温度７８０℃に昇温して反応室３２内にＴＭＧａ（ＩＩＩ族原料ガス）を導入し、基板温度を７８０℃に保った状態で第１ＧａＡｓバッファ層を所定の厚さになるまで成長させた。
【００６８】
次いで、ＧａＡｓ基板４の温度を第２ＧａＡｓバッファ層の成長温度６３０℃まで降温させる過程で、反応室３２内へのＴＭＧａの供給を停止することなく成長を継続し、基板温度を６３０℃になった時点でその温度を保持しながら、第２ＧａＡｓバッファ層を所定の厚さになるまで成長させ、ＧａＡｓバッファ層を形成した。
【００６９】
さらに、第２ＧａＡｓバッファ層の成長温度６３０℃において、Ｖ族原料ガスをＡｓＨ３からＰＨ３に切り替え、ＩＩＩ族原料ガスＴＭＧａの供給を停止し、ＧａＡｓ基板６の温度を昇温させ、その過程において、ＡｓＨ３からＰＨ３への切り替えの１秒後に、ＩＩＩ族原料ガスであるＴＭＧａ、ＴＭＡｌおよびＴＭＩｎの供給を開始し、ＡｌＧａＩｎＰ層を成長させながら、７３０℃まで昇温した。その温度を保持しながら、各ＡｌＧａＩｎＰ層、ｕｎ−ＭＱＷ活性層および各ＧａＩｎＰ層を所定の厚さになるまで成長させた。
【００７０】
その後は図示しないけれども、ＩＩＩ族原料ガスをＴＭＧａガスのみに切り替えてｐ−ＧａＡｓ層を形成し、フォトリソグラフィおよびエッチングを行ってｐ−ＧａＡｓキャップ層１０を形成し、さらにｐ側電極１１、電流阻止層１２およびメッキ電極１３を形成して半導体発光素子１を製造した。なお、上記の層成長工程において、ｐ型ドーパントとしてはＭｇを用いた。
【００７１】
上記の各層の形成に際し、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２のｕｎ−ＭＱＷ活性層３に接触する表層２ａ（膜厚にして０．１μｍ）、ｕｎ−ＭＱＷ活性層３、ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７ａおよび第１のｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７ｂの比Ｖ／ＩＩＩ比を３００、半導体発光素子１における他のＡｌＧａＩｎＰ系層の比Ｖ／ＩＩＩを１５０に制御した。
【００７２】
図３は、半導体発光素子１のＳＩＭＳ（Secondary  Ion  Mass  Spectrometer、２次イオン質量分析計）により測定したＭｇの濃度勾配を示すグラフである。比較のため、全てのＡｌＧａＩｎＰ系層のＶ／ＩＩＩ比を１５０にして製造した比較用半導体発光素子のＳＩＭＳによるＭｇの濃度勾配を図３に併記する。なお、図３においては、ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７ａの図示を省略する。測定装置にセクター型ＳＩＭＳを用い、測定条件は１次イオン種：Ｃｓ＋（セシウム）、１次イオン加速エネルギ：１０ｋｅＶ、１次イオン電流量：５０ｎＡ、ラスター領域：２５０μｍ□、分析領域：１５０μｍ□とし、２次イオン（１３３Ｃｓ２４Ｍｇ＋）強度を測定した。図３中、横軸はｕｎ−ＭＱＷ活性層３の活性層中心（目盛数値０．０、一点破線で示す）からの深さを示し、縦軸はＭｇ濃度（原子数／ｃｍ３）を示す。また、半導体発光素子１のＭｇ濃度勾配を実線で示し、比較用半導体発光素子のＭｇ濃度勾配を破線で示す。
【００７３】
図３から、本発明の半導体発光素子１は、比較用半導体発光素子のように、全てのＡｌＧａＩｎＰ系のＶ／ＩＩＩ比が１５０である場合に比べて、ｕｎ−ＭＱＷ活性層３においてＭｇの拡散が活性層中心の手前で止まり、かつ、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層７ｂ近傍でＭｇの濃度勾配が急峻になっていることが判る。これは、ｕｎ−ＭＱＷ活性層３近傍での比Ｖ／ＩＩＩを高く制御したことによって結晶の欠陥が減少し、Ｍｇが拡散し難くなり、Ｍｇの濃度勾配が急峻になったとものと考えられる。
【００７４】
半導体発光素子１において、ＳＩＭＳにより測定されるｐ型ドーパント拡散部位のＭｇの濃度勾配は急峻であった。また、半導体発光素子１を用いた半導体レーザは、全てのＡｌＧａＩｎＰ系層のＶ／ＩＩＩ比を１５０とした比較用半導体発光素子を用いた半導体レーザに比べて、閾値電流が約１０ｍＡ低減化した。
【００７５】
（実施例２）
図４は、本発明の実施の第２形態である半導体発光素子１５の構成を模式的に示す断面図である。
【００７６】
半導体発光素子１５は、ｎ−ＧａＡｓ基板４上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２０（膜厚０．５μｍ）、ｎ−ＧａＩｎＰ層２１（膜厚０．２５μｍ）、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１７（膜厚１．１μｍ）、ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰ活性層１８（膜厚０．５μｍ）、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９（膜厚１．２μｍ）、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ電流拡散層２２（膜厚１０μｍ）およびｕｎ−ＧａＡｓキャップ層２３（膜厚０．０５μｍ）を順次積層したものであり、ｎ−ＧａＡｓ基板４のｎ−ＧａＡｓバッファ層２０が積層される面とは反対側の面にはｎ側電極１４が形成され、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ電流拡散層２２の上層にはｕｎ−ＧａＡｓキャップ層２３およびｐ側電極２４が形成され、半導体発光ダイオードとして用いられる。
【００７７】
半導体発光素子１５において、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１７、ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰ活性層１８およびｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９を含む部分が、ｐ型ドーパント拡散部位１６である。
【００７８】
また、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９のｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰ活性層１８に接触する表層１９ａは、膜厚０．２μｍのｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層である。
【００７９】
図５は、半導体発光素子１５における各層を気相成長装置３１において成長させるための基板温度および原料ガス導入パターンを経時的に示すダイアグラムである。
【００８０】
まず、ＧａＡｓ基板４を気相成長装置３１の反応室３２内のサセプタ３５上に配置し、反応室３２内を減圧にした後、ＧａＡｓ基板６の温度を上昇させるとともに、反応室３２内にＡｓＨ３ガス（Ｖ族原料ガス）を導入した。ＧａＡｓ基板４の温度が６３０℃になった時点で、ＴＭＧガス（ＩＩＩ族原料ガス）の導入を開始し、ＧａＡｓバッファ層２０を成長させた。ＧａＡｓ基板４の温度が６５０℃になった時点で、基板４の昇温を停止し、その温度を保持しながら、ＧａＡｓバッファ層２０を所定の膜厚（０．５μｍ）まで成長させた。
【００８１】
次に、基板温度６５０℃で原料ガスを、ＴＭＧａ、ＴＭＡｌおよびＴＭＩｎ（いずれもＩＩＩ族原料ガス）とＰＨ３（Ｖ族原料ガス）とに切り替え、さらに必要に応じて図示しないけれどもシランガスまたはジエチル亜鉛ガスを供給し、各原料ガスの供給量を調整しかつ６５０℃から７３０℃まで昇温を行い、７３０℃になった時点で昇温を停止してその温度を保持しながら、ｎ−ＧａＩｎＰ層２１、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１７、ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰ活性層１８およびｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９を順次成長させた。
【００８２】
その後は図示しないけれども、Ｖ族原料ガスをＰＨ３ガスからＡｓＨ３ガスに切り替えてｐ−ＡｌＧａＩｎＡｓ電流拡散層２２を形成し、引き続きＩＩＩ族原料ガスをＴＭＧガスのみに切り替えてｐ−ＧａＡｓ層を形成し、フォトリソグラフィおよびエッチングを行ってｐ−ＧａＡｓキャップ層２３を形成し、さらにｐ側電極２４を形成し、半導体発光素子１５を製造した。なお、上記の層成長工程において、ｐ型ドーパントとしてはＺｎを用いた。
【００８３】
すなわち、本実施の形態では、図５において◎印で示すように、ＧａＡｓバッファ層２０の成長前の昇温過程において、基板温度が６３０℃以上になった時点からＩＩＩ族原料ガスであるＴＭＧの供給を開始してＧａＡｓバッファ層２０を結晶成長させ、ＧａＡｓバッファ層２０の成長温度６５０℃まで継続して結晶成長を行った。
【００８４】
上記の各層の形成に際し、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１７のｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰ活性層１８に接触する表層１７ａ（膜厚０．１μｍ）、ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰ活性層１８およびｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９の表層１９ａ（ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層）の比Ｖ／ＩＩＩ比を３００、半導体発光素子１における他のＡｌＧａＩｎＰ系層の比Ｖ／ＩＩＩを１５０に制御した。
【００８５】
半導体発光素子１５および上記の比較用半導体発光素子を半導体発光ダイオードとして用いると、半導体発光素子１５は比較用半導体発光素子に比較して約１０％の発光強度の向上が認められた。
【００８６】
（実施例３）
図６は、この実施例で得られる半導体発光素子における各層を気相成長装置３１において成長させるための基板温度および原料ガス導入パターンを経時的に示すダイアグラムである。
【００８７】
すなわち、図６に示すように、基板温度および原料ガスの供給を制御し、半導体発光素子１５と同じｐ型ドーパント拡散部位を有する半導体発光素子を製造した。ただし、ＧａＡｓバッファ層２０は、図示しないけれども、基板４の表面に形成される第１ＧａＡｓバッファ層と、第１ＧａＡｓバッファ層の表面に形成される第２ＧａＡｓバッファ層とを含む。各層の形成に際し、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１７の表層１７ａ（膜厚０．１μｍ）、ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰ活性層１８およびｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１９の表層１９ａ（ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層）の成長速度を１．０μｍ／ｈとし、この半導体発光素子における他のＡｌＧａＩｎＰ系層の成長速度を２．５μｍ／ｈに制御した。
【００８８】
得られた半導体発光素子において、ＳＩＭＳにより測定されるｐ型ドーパント拡散部位２のＺｎの濃度勾配は急峻であった。また、この半導体発光素子を用いた半導体レーザは、全てのＡｌＧａＩｎＰ系層の成長速度を２．５μｍとした比較用半導体発光素子を用いた半導体レーザに比べて、発光強度が約８％向上した。
【００８９】
（実施例４）
図７は、この実施例で得られる半導体発光素子における各層を気相成長装置３１において成長させるための基板温度および原料ガス導入パターンを経時的に示すダイアグラムである。
【００９０】
すなわち、図７に示すように、基板温度および原料ガスの供給を制御し、半導体発光素子１と同じｐ型ドーパント拡散部位を有する半導体発光素子を製造した。ただし、ＧａＡｓバッファ層を成長させた後、ＡｌＡｓ層とＡｌＧａＡｓ層とを交互に成長させてＤＢＲ層を形成し、さらにＡｌＧａＡｓ層を成長させ、引き続き原料ガスを切り替え、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ層２以降は実施例１と同様にして形成した。各層の形成に際し、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２の表層２ａ（膜厚０．１μｍ）、ｕｎ−ＭＱＷ活性層３、ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７ａおよび第１のｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７ｂの成長速度を１．０μｍ／ｈとし、この半導体発光素子における他のＡｌＧａＩｎＰ系層の成長速度を２．５μｍ／ｈに制御した。
【００９１】
得られた半導体発光素子において、ＳＩＭＳにより測定されるｐ型ドーパント拡散部位のＭｇの濃度勾配は急峻であった。また、この半導体発光素子を用いた半導体レーザは、全てのＡｌＧａＩｎＰ系層の成長速度を２．５μｍとした比較用半導体発光素子を用いた半導体レーザに比べて、閾値電流が約５％低減化した。
【００９２】
（実施例５）
図８は、この実施例で得られる半導体発光素子における各層を気相成長装置３１において成長させるための基板温度および原料ガス導入パターンを経時的に示すダイアグラムである。
【００９３】
すなわち、図８に示すように、基板温度および原料ガスの供給を制御し、半導体発光素子１と同じｐ型ドーパント分散部位を有する半導体発光素子を製造した。ただし、第１ＧａＡｓバッファ層、第２ＧａＡｓバッファ層、ＤＢＲ層およびＡｌＧａＡｓ層を成長させた後、引き続き原料ガスを切り替え、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ層２以降は実施例１と同様にして形成した。各層の形成に際し、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２の表層２ａ（膜厚０．１μｍ）、ｕｎ−ＭＱＷ活性層３、ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７ａおよび第１のｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層７ｂの比Ｖ／ＩＩＩを３００ならびに成長速度を１．０μｍ／ｈとし、この半導体発光素子における他のＡｌＧａＩｎＰ系層の比Ｖ／ＩＩＩを１５０および成長速度を２．５μｍ／ｈに制御した。
【００９４】
得られた半導体発光素子において、ＳＩＭＳにより測定されるｐ型ドーパント拡散部位のＭｇの濃度勾配は急峻であった。また、この半導体発光素子を用いた半導体レーザは、全てのＡｌＧａＩｎＰ系層の比Ｖ／ＩＩＩを１５０および成長速度を２．５μｍとした比較用半導体発光素子を用いた半導体レーザに比べて、閾値電流が約１２ｍＡ低減化した。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の実施の第１形態である半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の製造方法における気相成長系での基板温度および原料ガス導入パターンを経時的に示すダイアグラムである。
【図３】図１に示す半導体発光素子におけるｐ型ドーパント拡散部位のＭｇの濃度勾配を示す図面である。
【図４】本発明の実施の第２形態である半導体発光素子の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の製造方法における気相成長系での基板温度および原料ガス導入パターンを経時的に示すダイアグラムである。
【図６】本発明の製造方法における気相成長系での基板温度および原料ガス導入パターンを経時的に示すダイアグラムである。
【図７】本発明の製造方法における気相成長系での基板温度および原料ガス導入パターンを経時的に示すダイアグラムである。
【図８】本発明の製造方法における気相成長系での基板温度および原料ガス導入パターンを経時的に示すダイアグラムである。
【図９】図９（ａ）は一般的な有機金属化学気相成長装置の構成を模式的に示す断面図である。図９（ｂ）は図９（ａ）に示す一般的な有機金属化学気相成長装置の要部の構成を模式的に示す上面図である。
【図１０】ｐ型ドープ層とアンドープ層とが接触下にある場合の、両層の界面を基準にするｐ型ドーパント濃度の変化を模式的に示す図である。
【図１１】図１１（ａ）は、ｎ型クラッド層と活性層とｐ型クラッド層との積層構造を有し、ｐ型クラッド層から活性層へのｐ型ドーパントの拡散がない半導体発光素子における熱平衡時および電流注入時のエネルギ帯図である。図１１（ｂ）は、活性層がｐ型ドーパントの拡散定数が大きい結晶で構成される半導体発光素子における熱平衡時および電流注入時のエネルギ帯図である。
【図１２】特許文献５に開示される半導体レーザ１の要部の構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１，１５  半導体発光素子
２，１７  ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
３  ｕｎ−ＭＱＷ活性層
４  ｎ−ＧａＡｓ基板
５，２０  ｎ−ＧａＡｓバッファ層
６，２１  ｎ−ＧａＩｎＰ層
７ａ  ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
７ｂ  ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層
７ｃ  ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ第２クラッド層
８  ｐ−ＧａＩｎＰエッチストップ層
９  ｐ−ＧａＩｎＰ中間層
１０  ｐ−ＧａＡｓキャップ層
１１，２４  ｐ側電極
１２  電流阻止層
１３  メッキ電極
１４  ｎ側電極
１６  ｐ型ドーパント拡散部位
１８  ｕｎ−ＡｌＧａＩｎＰ活性層
１９  ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
２２  ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ電流拡散層
２３  ｕｎ−ＧａＡｓキャップ層
【図１】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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