JP2004128452A - 発光素子の製造方法及び発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】導電型がｎ型とされる電流拡散層を効率よく形成できる発光素子の製造方法を提供することを第一の課題とし、ｎ型とされる電流拡散層を用いつつも、素子ライフを向上可能な発光素子を提供することを第二の課題とする。
【解決手段】発光素子１００を製造するに際し、単結晶基板上１に、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部２４と電流拡散層７とを形成する。発光層部２４は有機金属気相成長法により形成し、該発光層部２４の上に導電型がｎ型とされる電流拡散層７をハイドライド気相成長法により形成する。
【選択図】 図１
【解決手段】発光素子１００を製造するに際し、単結晶基板上１に、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部２４と電流拡散層７とを形成する。発光層部２４は有機金属気相成長法により形成し、該発光層部２４の上に導電型がｎ型とされる電流拡散層７をハイドライド気相成長法により形成する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は発光素子の製造方法及び発光素子に関し、詳細には、発光の取出をｎ型半導体層側から行なう発光素子に適した発光素子の製造方法および発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ混晶（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１；以下、ＡｌＧａＩｎＰ混晶、あるいは単にＡｌＧａＩｎＰとも記載する）により発光層部が形成された発光素子は、薄いＡｌＧａＩｎＰ活性層を、それよりもバンドギャップの大きいｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とによりサンドイッチ状に挟んだダブルへテロ構造を採用することにより、高輝度の素子を実現できる。また、このような発光素子においては、発光層部にて得られる発光を取り出す側が、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層側またはｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層側のいずれかが採用される。なお、本発明においては、発光層部における発光をｎ型半導体層側から取り出す発光素子を対象とする。つまり、ここでは、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層側から発光を取り出すものとなる。
【０００３】
例えば、ＡｌＧａＩｎＰ発光素子を例に取れば、ｐ型ＧａＡｓ基板上にヘテロ形成させる形にて、ｐ型ＧａＡｓバッファ層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ活性層、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層をこの順序にて積層し、ダブルへテロ構造をなす発光層部を形成する。発光層部への通電は、素子表面に形成された金属電極を介して行なわれる。ここで、金属電極は遮光体として作用するため、例えば発光層部主表面の中央部のみを覆う形で形成され、その周囲の電極非形成領域から光を取り出すようにする。
【０００４】
この場合、金属電極の面積をなるべく小さくしたほうが、電極の周囲に形成される光漏出領域の面積を大きくできるので、光取出し効率を向上させる観点において有利である。従来、電極形状の工夫により、素子内に効果的に電流を拡げて光取出量を増加させる試みがなされているが、この場合も電極面積の増大はいずれにしろ避けがたく、光漏出面積の減少により却って光取出量が制限されるジレンマに陥っている。また、クラッド層のドーパントのキャリア濃度ひいては導電率は、活性層内でのキャリアの発光再結合を最適化するために多少低めに抑えられており、面内方向には電流が広がりにくい傾向がある。これは、電極被覆領域に電流密度が集中し、光漏出領域における実質的な光取出量が低下してしまうことにつながる。そこで、クラッド層と電極との間に、キャリア濃度を高めた低抵抗率の電流拡散層を形成する方法が採用されている。他方、厚膜の電流拡散層を素子裏面側に配置し、素子基板に兼用させる構成も考えられる（この場合、該電流拡散層は導電性の素子基板とみなすこともできるが、本明細書ではこれも広義に電流拡散層の概念に属するものとみなす）。従来、このような電流拡散層は、発光層部とともに、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：以下、ＭＯＶＰＥ法ともいう） により形成されることが多かった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような発光素子における電流拡散層は、面内方向に電流を十分に拡げるために、層厚をある程度大きく設定すること、例えば発光層部よりは厚みを大きくして形成されるのが一般的である。しかし、ＭＯＶＰＥ法は層成長速度が小さく、十分な厚さの電流拡散層を成長させるには非常な長時間を要し、製造能率の低下とコストの増大を招く問題がある。また、ＩＩＩ族元素源としてＭＯＶＰＥ法に使用する有機金属は一般に高価である。さらに、ＭＯＶＰＥ法においては、結晶性の向上を図るために、ＩＩＩ族元素源に対してＶ族元素源（ＡｓＨ３、ＰＨ３など）を相当大きな比率（１０〜数百倍）にて配合しなければならないことも、コスト上は不利に作用する。
【０００６】
また、ＭＯＶＰＥ法により成長された電流拡散層には、有機金属分子からのＨ（水素）やＣ（炭素）が残留しやすい。そして、電流拡散層の導電型をＳｉ（シリコン）、Ｓ（硫黄）、Ｓｅ（セレン）やＴｅ（テルル）のドーピングによりｎ型とする場合、残留したＣがｐ型ドーパントとして寄与してしまい、電流拡散層として必要な導電率を確保するには、比較的多量のＳｉ、Ｓ、ＳｅやＴｅのｎ型ドーパントの添加が必要となる。しかし、これらｎ型ドーパントを多量に添加すると、以下のような問題を生ずる。
【０００７】
すなわち、発光素子は、通電を継続するに伴い発光輝度が次第に低下する。例えば、一定電流により素子への通電を開始した直後に測定した発光輝度を初期輝度とし、積算通電時間の経過に従い減少する発光輝度を追跡したとき、発光輝度が予め定められた限界輝度に到達する時間、あるいは評価通電時間を一定値（例えば１０００時間）に固定したときの、初期輝度に対する評価通電時間経過後の輝度の比（以下、これを素子ライフと称する）は、素子寿命を評価するための一定の尺度となりえる。そして、電流拡散層中の、特に発光層部と隣接する部分のｎ型ドーパントの含有濃度が高くなりすぎると、この素子ライフが低下しやすくなる。
【０００８】
本発明は、導電型がｎ型とされる電流拡散層を効率よく形成できる発光素子の製造方法を提供することを第一の課題とする。また、ｎ型とされる電流拡散層を用いつつも、素子ライフを向上可能な発光素子を提供することを第二の課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記第一の課題を解決するために、本発明の発光素子の製造方法は、
単結晶基板上に、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と電流拡散層とを形成し、発光層部に発光駆動電圧を印加するための電極を形成する発光素子の製造方法において、
単結晶基板上に発光層部を有機金属気相成長法により形成する第一の気相成長工程と、
該第一の気相成長工程の後に、有機金属気相成長法とは異なるハイドライド気相成長法により、電流拡散層をｎ型半導体層として形成する第二の気相成長工程と
を有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の発光素子の第一の構成は、
単結晶基板上へのエピタキシャル成長により形成した、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と電流拡散層とを有する発光素子において、
発光層部は有機金属気相成長法により形成されてなり、
該発光層部の上に、電流拡散層が前記有機金属気相成長法とは異なるハイドライド気相成長法を用いてｎ型半導体層として形成されてなることを特徴とする。
【００１１】
本発明においては、電流拡散層を、ｎ型半導体層として、ハイドライド気相成長法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ Ｍｅｔｈｏｄ：以下、ＨＶＰＥ法という）を用いて形成する。ＨＶＰＥ法は、蒸気圧の低いＧａを塩化水素との反応により気化しやすいＧａＣｌに転換し、該ＧａＣｌを媒介とする形でＶ族元素源ガスとＧａとを反応させることにより、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の気相成長を行なう方法である。ＭＯＶＰＥ法による層成長速度が約４μｍ／時であるのに対しＨＶＰＥ法では約９μｍ／時であり、ＨＶＰＥ法によると層成長速度をＭＯＶＰＥ法よりも大きくでき、ある程度厚さを要する電流拡散層も非常に高能率にて形成できるので、原材料費をＭＯＶＰＥ法よりもはるかに低く抑えることができる。また、ＨＶＰＥ法では、ＩＩＩ族元素源として高価な有機金属を使用せず、ＩＩＩ族元素源に対するＶ族元素源（ＡｓＨ３、ＰＨ３など）の配合比率もはるかに少なくて済む（例えば１／３倍程度）ので、コスト的に有利である。
【００１２】
特に電流拡散層の材質として、ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）を採用すると、ＨＶＰＥ法による成長が容易で、高品質の電流拡散層を得やすくなる利点がある。なお、本発明において、ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）は、ＧａＰ混晶比ａが１の場合を含むので、ＧａＰの概念を含んでいる。他方、ＧａＰ混晶比ａが０の場合も含むので、ＧａＡｓも概念として含むが、ＧａＡｓはＧａＰよりもバンドギャップが小さいので発光層部２４からの発光光束に対する吸収を生じやすい。従って、ＧａＰ混晶比ａは０より大きく設定することが望ましい。
【００１３】
本発明における電流拡散層は、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とし、かつ、前記発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きいｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層として形成されることを特徴とする。本発明においては、電流拡散層をＨＶＰＥ法により成長するので、ＭＯＶＰＥ法と異なりＨやＣの残留が生じにくい。従って、電流拡散層を、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上としたｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層として形成する場合、ｐ型ドーパントとされるＣの残留量が抑制されることにより、それらｎ型ドーパントのドーピング効率を効果的に高めることが可能となる。このことは、必要な導電率を確保するためのｎ型ドーパントの添加量を、ＭＯＶＰＥ法による電流拡散層と比較してはるかに少量に留めることができることを意味し、結果として、ｎ型ドーパントの含有濃度の軽減により前述の素子ライフを大幅に向上することができる。ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）により形成された電流拡散層のＣ濃度は、例えば７×１０１７／ｃｍ３以下に留めることが可能であり、検出限界以下（例えば１×１０１７／ｃｍ３程度あるいはそれ以下）とすることも比較的容易である。つまり、電流拡散層のハイドライド気相成長法により形成された部分のＣ濃度は、７×１０１７／ｃｍ３以下とすることができる。なお、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上としたｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層からなる電流拡散層は、光吸収を抑制して光取出し効率を向上させるため、発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーが大きくなるように、ＧａＰ混晶比ａを選択することが望ましい。
【００１４】
電流拡散層における、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型のドーパントのキャリア濃度は、例えば１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下とすることができる。電流拡散層のｎ型ドーパントのキャリア濃度が１×１０１７／ｃｍ３未満では十分な導電率と電流拡散効果が得られず、５×１０１９／ｃｍ３を超えると合金化により結晶性が損なわれる。
【００１５】
本発明においては、電流拡散層を成長速度の大きいＨＶＰＥ法にて成長するので、ＭＯＶＰＥでは現実的な時間の範囲内で成長困難な２０μｍ以上の電流拡散層も、比較的高能率に得られる利点がある。特に、５０μｍ以上の厚さに電流拡散層を成長させれば、該電流拡散層を素子基板に兼用させることも可能となる。この場合、該素子基板を兼用する電流拡散層は、発光層部の光取出面側に配置してもよいし（この場合、電流拡散層の主表面の一部領域のみが電極にて覆われる）、裏面側に配置してもよい。
【００１６】
電流拡散層を裏面側に配置する場合は、発光層部からの光に対し透光性を有する該電流拡散層の裏面を部分的に覆うコンタクト層を形成することができる。また、電流拡散層の裏面側にてコンタクト層を、該コンタクト層の非形成領域とともに覆う、反射層を兼ねた金属電極で覆うこともできる。この場合、コンタクト層は金属電極と電流拡散層との接合抵抗を低減する役割を果たす。他方、電流拡散層の裏面側にて該コンタクト層を、コンタクト層の非形成領域とともにＡｇペースト等の金属ペースト層で覆うこともできる。いずれの態様においても、特にコンタクト層の非形成領域において金属電極又は金属ペースト層による発光光束の反射効果を高めることができる。
【００１７】
なお、電流拡散層の厚さが２００μｍを超えると、ＨＶＰＥ法を用いているといえども成長時間が相当長くなり、製造能率の低下につながる場合がある。このような観点から、電流拡散層（第二の気相成長工程において形成される）の形成厚さは２００μｍ以下とすることが望ましい。ただし、電流拡散層が過度に薄くなれば、電流拡散効果が十分に得られなくなって発光効率の低下につながる。従って、電流拡散層の厚さは、５μｍ以上は確保しておくことが望ましい。なお、電流拡散層を素子基板に兼用させない場合は、製造能率を優先させて、その形成厚さを５０μｍ未満に留めることが望ましい。特に、成長温度が比較的高い場合（例えば８００℃以上）は、電流拡散層の厚さを５０μｍ以上に増加させても発光強度の大幅な増加は望めないので、電流拡散層の厚さを５０μｍ未満、望ましくは２０μｍ以下に留めることが望ましいといえる。他方、後述のごとく、成長用の単結晶基板のオフアングル最適化により、ＨＶＰＥ法による電流拡散層の成長温度は大幅に低減できるので、この場合は、電流拡散層を厚膜化することにより発光強度をさらに向上でき、５０μｍ以上の層厚設定が有効となる場合がある。
【００１８】
次に、電流拡散層の電極を形成する側の主表面を含む表層部には、多数キャリアを生じさせるためのドーパントキャリア濃度が電流拡散層内の残余の部分よりも高くされた、高濃度ドーピング層を形成することが望ましい。このような高濃度ドーピング層を形成することにより、電流拡散層表層部での電流の面内拡散効果が高められ、ひいては層厚が小さくとも十分な電流拡散効果が得られる。また、層の全体に渡ってドーパント含有濃度を高めるのではなく、表層部だけ選択的に高濃度化するので、ドーパント含有濃度が過剰となることによる前述の素子ライフ低下や、多数キャリアによる光の散乱損失といった問題も生じにくい。特に、電流拡散層の層厚を２０μｍ以下に薄く設定する場合、高濃度ドーピング層を設けることの効果は大きい。
【００１９】
高濃度ドーピング層を形成することのメリットとしては、本発明のように電流拡散層をｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層といったｎ型半導体層として構成する場合に特に顕著である。すなわち、本発明においては、ＨＶＰＥ法により電流拡散層を成長するので、残留するＣがｐ型ドーパントとして振舞う量が少なく、元からＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントの添加量を削減することができる。その結果、素子ライフ低下等を生ずる限界量までのｎ型ドーパントの濃度マージンが大きく、高濃度ドーピング層を形成しても素子ライフ等に与える影響を本質的に小さく留めることができる。なお、電流拡散層にハイドライド気相成長法により形成されたＨＶＰＥ層部を形成する場合、該ＨＶＰＥ層部は、発光層部に近い主表面側においてｎ型ドーパント含有濃度を、ｎ型クラッド層のｎ型ドーパント含有濃度よりも低く設定しておくと、素子ライフの低下抑制を一層効果的に図ることができる。
【００２０】
具体的には、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上としたｎ型半導体層として形成される電流拡散層におけるドーパントのキャリア濃度について、高濃度ドーピング層においては、１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下となっていることが望ましい。高濃度ドーピング層のｎ型ドーパントのキャリア濃度が１×１０１８／ｃｍ３未満では、高濃度ドーピング層の面内方向の電流拡散促進効果に乏しくなり、５×１０１９／ｃｍ３を超えると、合金化により結晶性が損なわれる懸念が生ずる。また、高濃度ドーピング層の厚さは１μｍ以上４μｍ以下に調整することが望ましい。厚さが１μｍ未満では面内方向電流拡散の促進効果に乏しく、４μｍを超えると電流拡散層全体に占める高濃度ドーピング層の厚さ比率が大きくなりすぎ、同様に、合金化により結晶性が損なわれ素子ライフや発光強度の低下を招く惧れがある。
【００２１】
一方、電流拡散層内の、高濃度ドーピング層以外の残余の部分においては、ｎ型ドーパントのキャリア濃度が１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３以下となっていることが望ましい。該部分のｎ型ドーパントのキャリア濃度が１×１０１７／ｃｍ３未満では、該部分の直列抵抗が増大し、発光効率の低下を招く。他方、１×１０１８／ｃｍ３を超えると、該部分から発光層部側へｎ型ドーパントが多く拡散し、発光性能の低下等を生ずる場合がある。すなわち、電流拡散層を、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上としたｎ型半導体層として形成するとき、そのドーパントのキャリア濃度が、高濃度ドーピング層において１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下とし、高濃度ドーピング層以外の残余の部分において１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３以下とするのが望ましい。
【００２２】
なお、電流拡散層はＧａＰにて構成すれば、ＧａＰは比較的広いバンドギャップを有しているので、発光層部から発光波長の短い光が放出されている場合でも光吸収を起しにくい。従って、光取出し効率を確保する上で有利であり、また、光吸収抑制を考慮したときの発光層部の材料選択幅も広げられる利点がある。
【００２３】
一方、ＧａＡｓを配合したＧａＡｓ１−ａＰａにより電流拡散層を構成すると、以下のような利点が生ずる。ＧａＡｓは、ＧａＰに比べて成長温度が低く、電流拡散層を形成する際に、ｎ型ドーパントが発光層部側に過度に拡散したり、あるいは発光層部内のドーパントの拡散による分布変化、特に、ダブルへテロ構造におけるクラッド層から活性層へのドーパントの拡散により、発光性能が低下したりする不具合を効果的に抑制することが可能となる。なお、この目的にてＧａＡｓ１−ａＰａを採用する場合は、所望の発光波長に相当するバンドギャップより大きくなるように、ＧａＰの混晶比ａが０．５以上０．９以下の範囲で設定することが望ましい。ＧａＰの混晶比ａが０．９を超えると、ＧａＡｓの混晶比が小さくなりすぎ、ＨＶＰＥ法により成長する際の成長温度が高くなってドーパントの拡散抑制効果が十分に得られなくなる場合がある。一方、ＧａＰの混晶比ａが０．５未満では、ＧａＡｓの混晶比が高くなり、バンドギャップが縮小して光吸収が生じやすくなる場合がある。
【００２４】
また、電流拡散層の電極形成部分を、それ以外の部分よりもＧａＡｓ混晶比１−ａが大きい高ＧａＡｓ混晶比ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ＜１）層とし、当該高ＧａＡｓ混晶比ＧａＡｓ１−ａＰａ層に、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上をｎ型ドーパントのドーパント源とする高濃度ドーピング層を形成すると、該ドーパントの過度の拡散を抑制することが可能となり、ひいては、高濃度ドーピング層に対して電流拡散層表層部での電流の面内拡散効果をさらに効果的に付与することができる。高ＧａＡｓ混晶比ＧａＡｓ１−ａＰａ層は高濃度ドーピング層よりも少し（０．５μｍから２μｍ程度）厚く形成するのがよく、高濃度ドーピング層を例えば１μｍ以上４μｍ以下にて形成する場合、高ＧａＡｓ混晶比ＧａＡｓ１−ａＰａ層は２μｍ以上５μｍ以下にて形成するとよい。
【００２５】
本発明において、電流拡散層は、その全体をＨＶＰＥ法にて形成することを排除しない。しかし、電流拡散層と、発光層部の該電流拡散層と接する部分とが、格子定数の互いに異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて構成される場合、その格子定数差がある程度大きい場合は、発光層部上に直接ＨＶＰＥ法により電流拡散層を形成すると、電流拡散層の結晶性が低下し、発光性能の低下を招くおそれがある。そこで、このような場合、電流拡散層は、発光層部と接する部分を有機金属気相成長法により形成されるＭＯ層部とし、それ以外の部分をハイドライド気相成長法により形成されるＨＶＰＥ層部とすれば、電流拡散層の結晶性が向上し、ひいては発光特性の良好な発光素子が得られる。すなわち、電流拡散層と、発光層部の該電流拡散層と接する部分とが、格子定数の互いに異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて構成されるとき、電流拡散層を、発光層部と接する部分を有機金属気相成長法により形成されるＭＯ層部とし、それ以外の部分をハイドライド気相成長法により形成されるＨＶＰＥ層部とするのが望ましい。
【００２６】
次に、本発明の発光素子においては、電流拡散層内に、該電流拡散層とは導電型の異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる電流阻止層を埋設形成することができる。そこで、本発明の製造方法においては、電流拡散層内に、該電流拡散層とは導電型の異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる電流阻止層を埋設形成する電流阻止層形成工程を含み、電流拡散層の、発光層部とは反対側の電極側において該電流阻止層を覆う部分を少なくとも、第二の気相成長工程により形成することを特徴とする。電極は遮光体として作用するため、この電極に素子駆動のための電圧を印加した場合、素子内の電流密度は電極直下付近で高く、光取出領域となる電極の周囲領域では低くなることにより、光取出効率が低下しやすくなる。そこで、上記のような電流阻止層を、例えば電極の電極直下位置において電流拡散層中に埋設形成すれば、電流阻止層により電流に電極領域外への迂回が生じ、光取出効率を高めることができる。なお、本明細書において電流阻止層は、電流拡散層に属さないものとして考える。
【００２７】
この場合、該電流阻止層を埋設形成する電流阻止層形成工程が必要となる。そして、本発明においては、電流拡散層内の、電極側において該電流阻止層を覆う部分を少なくとも、第二の気相成長工程（つまり、ＨＶＰＥ法）により形成する。電流阻止層を埋設形成する際に、電流阻止層を覆う電流拡散層部分をＭＯＶＰＥ法やＬＰＥ法で形成すると、最終的な電流拡散層の表面に、電流阻止層の形状がパターンダレした大きな段差が結晶欠陥を伴なって生じやすい問題がある。このような段差や結晶欠陥は、電極との導通不良を招いたり、あるいは画像処理を用いて電極にワイヤを自動ボンディングする際には、画像の誤検出要因となって、ワイヤボンディングを形成する工程での能率及び歩留まり低下を招く場合がある。しかし、ＨＶＰＥ法で電流阻止層を覆う電流拡散層部分を形成すると、そのような段差や結晶欠陥がほとんど生じず、表面の平滑な電流拡散層が得られ、上記のような不具合が生じにくい。
【００２８】
電流阻止層形成工程は、具体的には以下のような工程を含むものとして実施することができる。
▲１▼第三の気相成長工程：発光層部の上に、電流拡散層の一部をなす第一導電型（つまりｎ型）のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる第一層と、電流阻止層をなす第二の導電型（つまりｐ型）のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる第二層とを有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により順次形成する。
▲２▼エッチング工程：得られた第二導電型（ｐ型）の化合物半導体層を、電流阻止層となるべき部分を残して残余の部分をエッチング除去する。
そして、第二の気相成長工程は、第一層と同一導電型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第三層を、第二層のエッチング後の残余部分をくるむようにハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）により形成する。
【００２９】
第一層は、電流拡散層の、電流阻止層に対する下地となる部分をなすものであり、第二層は電流阻止層をなす部分である。上記方法によると、第一層及び第二層を形成する第三の気相成長工程を、発光層部の形成される第一の気相成長工程に続く形で、同じＭＯＶＰＥ法により実施できるので能率的である。これら第一の気相成長工程及び第三の気相成長工程を同一の成長容器内で基板を容器外に取り出さずに連続的に行なうと、特に効果が大きい。
【００３０】
この場合、第三の気相成長工程が終了すると、基板を容器外に取り出して、ＨＶＰＥ法により第二の気相成長工程を行なうための容器に移し替える必要がある。このとき、第一層及び第二層は容器外の雰囲気にさらされるので、酸化の影響が問題になる場合がある。また、後述のように第二層を化学エッチングする場合は、そのエッチング時に受ける酸化も考慮する必要がある。この観点においては、第一層及び第二層を、いずれも、酸化されやすい元素であるＡｌ（アルミニウム）を含有しないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により形成するとよい。具体的には、第一層、第二層及び第三層をいずれもＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１：発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きい）により形成することができる。これは、第三層をＨＶＰＥ法にて形成する際に、ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）が最も成長が容易で高品質のものが得られるためであり、ＭＯＶＰＥにより形成される第二層も、これに合わせ込む形でＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）を採用する。また、第一層を同じＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１：発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きい）とすることにより、第三の気相成長工程において、ＭＯＶＰＥ法により第一層を形成後、第二層の形成に移行する際に原料ガスの切り替えが不要となり、製造が容易となる。なお、各層のＧａＰ混晶比ａを同じに設定しておくと、製造がより容易となる。また、不要なバンド端不連続も生じないので、それによる発光性能の低下等も懸念する必要がなくなる。
【００３１】
なお、第二層と第一層とは、同じＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）であっても導電型は反対とされる。第三層を、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上をｎ型ドーパントとするｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層とする場合、第二層はＺｎ（亜鉛）やＭｇ（マグネシウム）等をドーパントとするｐ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層とする。なお、この場合の電流拡散層は、ＭＯＶＰＥ法による第一層と、ＨＶＰＥ法による第三層とでｎ型ドーパントの種別を異ならせてもよい。
【００３２】
上記第一層と接触する第三層には、高濃度ドーピング層を形成することが電流拡散効果を高める上でより有利である。第三層の高濃度ドーピング層以外の部分、つまり、第一層と接する部分のドーパント含有濃度を、１×１０１７／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下に十分に低く設定しておくと、高濃度ドーピング層からのＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントの拡散の影響が第三層を経て発光層部に及ぶ不具合を効果的に抑制することができる。
【００３３】
次に、エッチング工程において、第二層をエッチングする方法としては、気相エッチングを行なってもよいが、エッチング液を用いた化学エッチングが簡便で、能率もよいので本発明に好適に採用できる。この化学エッチングは、第二層に対するエッチング活性が、第一層に対するエッチング活性よりも高く、第二層のみを選択的にエッチングできるものを使用することが好ましい。しかし、第一層と第二層とが同一材質の化合物半導体よりなる場合、第一層と第二層とに対して顕著なエッチング活性差を有したエッチング液を得ることは容易ではなく、例えばやむを得ずエッチング活性差の小さい液を用いてエッチングを行なうと、選択エッチング能力が不足して、第一層にまでエッチングの影響が大きく及んでしまう不具合を生ずる。
【００３４】
このような場合、第一層と第二層との間に、両層のいずれとも材質の異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第四層を介挿形成し、エッチング工程において、第四層をエッチストップ層として第二層を第一のエッチング液により化学的に選択エッチングすることが有効である。つまり、第二層とは材質の相違する第四層を、該第二層の下地として形成しておけば、材質が同じである第一層と第二層とに対しては適当なエッチング液が見つからなくても、材質が相違する第二層と第四層とであれば、適当な選択エッチング性を有したエッチング液を容易に見出すことができる。そして、このようなエッチング液を第一のエッチング液として用いることにより、エッチング工程においては該第四層がエッチストップ層として作用し、第二層を容易に選択エッチングできる。また、この第四層は、第二層の電流阻止層として残る部分の直下はエッチングされずに残留するが、その残留部分は電流阻止層により電流が遮られる部分に生ずるので、発光特性等には何ら影響しない。
【００３５】
この第四層は、Ａｌを含有しないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて形成することが望ましい。すなわち、第二層を第一のエッチング液により選択エッチングする際に、エッチストップ層となる第四層にＡｌが含有されていると、エッチング液とＡｌとが反応して絶縁性のＡｌ酸化層が形成される場合がある。後述の通り、第四層の露出部分を第二のエッチング液によりエッチング除去して第三層の形成を行なう場合は、Ａｌ酸化層はそのエッチングの妨げとなる。また、第四層を残して第三層を形成すると、Ａｌ酸化層により直列抵抗が増加する上、第三層の第四層上へのエピタキシャル成長が妨げられる場合がある。いずれも、発光特性の低下につながる。
【００３６】
例えば、第二層をｐ型ＡｌｄＧａ１−ｄＰ（０＜ｄ≦１）又はｐ型（ＡｌｂＧａ１−ｂ）ｃＩｎ１−ｃＰ（０＜ｂ≦１；０≦ｃ≦０．５）にて形成する場合は、第一層をｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）にて形成し、第二層に対するエッチング液として、例えば塩酸を用いる。すると、特に第四層を設けなくとも第二層を第一層に対して問題なく選択エッチングできる。しかし、第二層に含まれるＡｌの酸化が問題となる場合は、第二層もｐ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）にて形成することが有効である。この場合は、第二層を化学エッチングにより選択エッチングすることが難しくなるので、例えば第二層よりもＧａＰの混晶比が大きいＧａＡｓ１−ｂＰｂ（ａ＜ｂ≦１）にて形成された第四層を介挿すると、第二層と第四層との間には選択エッチング性を付与しやすくなる。特に、第二層と第一層とがＧａＡｓ１−ａＰａ（０．５≦ａ≦０．９）からなり、第四層がＧａＰとされている場合、第四層によるエッチストップ効果が顕著である。この場合、第一のエッチング液としては、一例として硫酸あるいは硫酸と過酸化水素水との混合液を使用することにより、第四層をエッチストップ層とした第二層の選択エッチングを効果的に行なうことができる。
【００３７】
第四層の厚みは１ｎｍ以上１００ｎｍ以下に調整することが望ましい。該厚みが１ｎｍ未満ではエッチストップ効果が十分に得られず、１００ｎｍより厚く形成することは、エッチストップ効果が飽和して不経済である。
【００３８】
例えば、第四層をエッチストップ層として第二層の外側を第一のエッチング液により化学的に選択エッチングした後、当該第二層の外側に露出している第四層を、第一層をエッチストップ層として第二のエッチング液により化学的に選択エッチングして第一層を露出させ、その後、第二の気相成長工程により第三層を第一層の外側と接するように形成することができる。このようにすると、電流阻止層として残った第二層の周囲において、電流拡散層をなす第一層と第三層との間に、不要な第四層が残留せず、該第四層による光吸収等の問題も生じにくい。なお、第四層の厚さを１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の小さな範囲に設定すれば、第四層による光吸収等の影響はほとんど生じないので、第二層の外側に露出している第四層をエッチングせずに第三層を形成することも可能である。
【００３９】
発光層部は、２種以上のＩＩＩ族元素を含む（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０＜ｙ≦１）にて構成されるｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層が、発光層部に発光駆動電圧を印加するための電極側からこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有するものとして形成できる。活性層の両側に形成されるクラッド層とのバンドギャップ差に起因したエネルギー障壁により、注入されたホールと電子とが狭い活性層中に閉じ込められて効率よく再結合するので、非常に高い発光効率を実現できる。さらに、活性層の組成調整により、広範囲の発光波長を実現することができる。
【００４０】
次に、本発明の製造方法においては、オフアングルを有する単結晶基板を用いることができる。本明細書において、「オフアングルを有する」とは、化合物半導体層が積層される単結晶基板の結晶主軸が、＜１００＞または＜１１１＞等に定められた基準方向に対し一定の角度傾けてあることをいう。
【００４１】
２種以上のＩＩＩ族元素を含む混晶化合物半導体からなる発光層部、例えば（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰからなる発光層部は、単結晶基板としてオフアングルを有さないものを使用したとき、ＩＩＩ族原子（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）の規則化や分布の偏りにより、バンドギャップエネルギーが小さくなる側にシフトしやすく、結果として発光波長が短波長側にばらつきやすくなる問題がある。例えば、これを解消するためにはバンドギャップエネルギーの高いＡｌＰの混晶比を大きくして、発光波長のずれを補償する方法が考えられる。しかし、ＡｌＰの混晶比を高めることは、間接遷移成分が増える方向にバンド構造が変化するので、発光強度の低下を招く場合がある。従って、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰなどの２種以上のＩＩＩ族元素を含む混晶化合物半導体により発光層部を構成する場合、オフアングルを有する単結晶基板を使用すれば、発光光束のスペクトルプロファイルや中心波長のバラツキが効果的に抑制された発光層部を容易に得ることができる。その理由は、適度なオフアングルを単結晶基板に付与しておくことで、上記のようなＩＩＩ族元素の規則化や偏りが大幅に軽減されるためであると考えられる。
【００４２】
また、ＭＯＶＰＥ法により成長した混晶発光層部の上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる電流拡散層をＨＶＰＥ法により形成すると、ＭＯＶＰＥ法やＬＰＥ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法により電流拡散層を形成する場合と異なり、最終的に得られる電流拡散層の表面に、単結晶基板のオフアングルに由来したファセットや面荒れがほとんど生じず、ひいては平滑性の良好な電流拡散層が得られる。そして、電流拡散層の表面が平滑化されると、電流拡散層上に形成される電極との密着性も良好となる。また、その電極にワイヤを、画像処理を用いて自動ボンディングする際に、面荒れによる画像の誤検出が軽減され、ひいてはワイヤボンディング工程での能率向上や、歩留まり改善にも寄与する。
【００４３】
（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰにて発光層部を構成する場合、単結晶基板は、＜１００＞方向又は＜１１１＞方向を基準方向として、該基準方向に対するオフアングルが１゜以上２５゜以下の主軸を有するＧａＡｓ単結晶基板とすることができる。オフアングルが１゜未満では既に説明した発光特性（発光スペクトルプロファイルや中心波長）のバラツキ抑制効果に乏しくなり、２５゜を超えると発光層部の正常な成長が不能となる場合がある。該効果は、特に＜１００＞方向を基準方向としてオフアングルが上記の主軸を有するＧａＡｓ単結晶基板を用いた場合に、特に顕著である。
【００４４】
単結晶基板は、オフアングルが１０°以上２０°以下の主軸を有するＧａＡｓ単結晶基板とすることがより望ましい。このような高角度のオフアングルを有するＧａＡｓ単結晶を用いると、ＨＶＰＥによる第二の気相成長工程にて最終的に得られる電流拡散層の表面を平滑化する効果が一層高められる。本発明者らが検討したところ、オフアングルの１゜以上１０°未満の単結晶基板を用いると、ＨＶＰＥにて得られる電流拡散層の表面においては、ファセット的な振幅の小さい一様な凹凸の形成は効果的に防止されるものの、振幅の大きな突起状の結晶欠陥が残留することがあり、ワイヤボンディング工程等における誤検出等の不具合を招くこともあった。しかし、オフアングルを１０°以上２０°以下の範囲に大きくすると、こうした突起状の結晶欠陥発生を効果的に抑制できる。
【００４５】
また、突起状の結晶欠陥発生防止も含め、平滑で良好な表面状態の電流拡散層を得るには、ＨＶＰＥ法による電流拡散層の成長温度を適正化することも、工程上考慮すべき重要なポイントである。単結晶基板のオフアングルを１０°以上２０°以下の範囲に設定すると、そのような電流拡散層の適正な成長温度範囲を低温側に引き下げることができるのも、重要な効果の一つである。電流拡散層の成長温度を低温化できれば、該電流拡散層の下地をなす発光層部に加わる、電流拡散層成長時の熱履歴を和らげることができ、発光層部のｐ−ｎ接合をなすドーパントプロファイルの拡散劣化が生じにくい。特にダブルへテロ構造の発光層部の場合は、発光再結合の効率を高めるため、活性層のドーパント濃度はなるべく低くしたい要請がある。従って、電流拡散層の成長温度の低温化により、クラッド層側から活性層側へのドーパント拡散を抑制することにより、発光素子の内部量子効率を高めることができ、発光性能を大幅に改善することができる。また、成長温度の低減により、上記ドーパントプロファイルを良好に維持したまま電流拡散層の層厚を増やすことができるので、該電流拡散層を特に５０μｍ以上に厚膜化したときの発光強度の向上効果がとりわけ著しくなる利点もある。
【００４６】
オフアングルが１０°未満となるか、又はオフアングルが２０°を超えると、突起状の結晶欠陥発生防止効果及び電流拡散層の適正成長温度の低温化効果が不十分となる場合がある。オフアングルはより望ましくは１３°以上１７°以下に設定するのがよい。
【００４７】
この場合、第二の気相成長工程において、ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）からなる上記の電流拡散層をハイドライド気相成長法により成長する場合、該成長温度を６４０℃以上７５０℃以下の温度に設定することが望ましい。成長温度が６４０℃未満では電流拡散層の表面の平滑化効果、特に突起状の結晶欠陥の発生抑制効果が十分に得られなくなる。また、７５０℃より高温では、発光層部のドーパントプロファイルの拡散劣化防止効果が十分に達成できなくなる。なお、上記成長温度は、より望ましくは６８０℃以上７２０℃以下（特にオフアングルが１３°以上１７°以下の場合）に設定するのがよい。また、このような温度設定により、電流拡散層を５０μｍ以上（２００μｍ以下）に厚膜化させたときの、発光強度向上効果が特に著しくなる。
【００４８】
次に、本発明の発光素子の第二の構成は、
単結晶基板上へのエピタキシャル成長により形成した、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と電流拡散層と、発光層部に発光駆動電圧を印加するための電極とを有する発光素子において、
発光層部は、２種以上のＩＩＩ族元素を含む（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０＜ｙ≦１）にて構成されるｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層が、電極側からこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有し、かつ、ｎ型クラッド層がＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上をドーパントとするｎ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰにて構成され、
電流拡散層は、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とし、かつ、前記発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きいｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層として形成され、さらに、
電流拡散層中のＣ濃度が、前記ｎ型クラッド層のＣ濃度よりも小さくされてなることを特徴とする。
【００４９】
（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰのダブルへテロ構造を用いて発光層部を構成した発光素子において、本発明のようにｎ型クラッド層側を光取出し側として、ここに電流拡散層を設ける場合、この電流拡散層は、従来ＭＯＶＰＥ法にて形成されていたためＨやＣの残留量が多く、残留したＣがｐ型ドーパントとして寄与した分を補償するために、ｎ型クラッド層よりもｎ型ドーパントの含有濃度を相当高く設定していた。そして、この過剰なドーパント添加により、素子ライフが短くなる不具合を生ずることは、既に説明した通りである。
【００５０】
上記本発明の発光素子の第二の構成においては、電流拡散層を、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上としたｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層として形成するとともに、電流拡散層中のＣ濃度を、ｎ型クラッド層のＣ濃度よりも小さく設定する。このようなＣ濃度の大小関係は、電流拡散層をＨＶＰＥ法により成長することで容易に実現できる。その結果、電流拡散層中のＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントの含有濃度をｎ型クラッド層のものより低く設定しても、ｐ型ドーパントとして振舞うＣの量が少ないので、十分な導電性を確保することができる。そして、電流拡散層中のｎ型ドーパントの含有濃度を低くできる結果、素子ライフの向上を図ることができる。
【００５１】
発光層部を上記のように（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０＜ｙ≦１）にて構成する場合、電流拡散層をｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１：発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きい）層とし、かつ該電流拡散層の発光層部と接する部分を有機金属気相成長法によるＭＯ層部として形成し、それ以外の部分をハイドライド気相成長法によるＨＶＰＥ層部として形成すればよい。発光層部をなす（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰと、電流拡散層をなすｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）とは、格子定数の開きが大きくなりやすいが、前述のように、電流拡散層の発光層部と接する部分をまず有機金属気相成長法により形成し、ＨＶＰＥ法により電流拡散層の残余部分を形成すれば、電流拡散層の結晶性が向上する。
【００５２】
本発明の発光素子の第一においては、電流拡散層のハイドライド気相成長法により形成された部分のＣ濃度を７×１０１７／ｃｍ３以下とすることができる。また、電流拡散層と、発光層部の該電流拡散層と接する部分とが、格子定数の互いに異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて構成され、電流拡散層は、発光層部と接する部分が有機金属気相成長法によるＭＯ層部として形成され、それ以外の部分がハイドライド気相成長法によるＨＶＰＥ層部として形成されたものとすることができる。
【００５３】
本発明の発光素子の第二は、電流拡散層の発光層部と接する部分が有機金属気相成長法によるＭＯ層部として形成され、それ以外の部分がハイドライド気相成長法によるＨＶＰＥ層部として形成されたものとすることができる。
【００５４】
また、本発明の発光素子の第一及び第二は、電流拡散層の形成厚さを５μｍ以上２０μｍ以下とすることができる。電流拡散層の電極を形成する側の主表面を含む表層部には、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるドーパントのキャリア濃度が電流拡散層内の残余の部分よりも高くされた、高濃度ドーピング層を形成することができる。電流拡散層は、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上としたｎ型半導体層として形成することができ、ドーパントのキャリア濃度を、高濃度ドーピング層において１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下、残余の部分において１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３以下とすることができる。さらに、電流拡散層において、電極形成側部分を、それ以外の部分よりもＧａＡｓ混晶比１−ａが大きい高ＧａＡｓ混晶比ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ＜１）層とし、当該高ＧａＡｓ混晶比ＧａＡｓ１−ａＰａ層に、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とする高濃度ドーピング層を形成することができる。
【００５５】
また、発光層部及び電流拡散層のエピタキシャル成長に使用する単結晶基板は、敢えて除去せず素子内に残した構造としてもよいし、ＧａＡｓ等の光吸収性の基板である場合は、発光層部及び電流拡散層のエピタキシャル成長後に該単結晶基板を除去した構造としてもよい。単結晶基板を除去しない場合の本発明の発光素子の製造方法は以下の通りである：
単結晶基板上に、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と電流拡散層と、発光層部に発光駆動電圧を印加するための電極とを、この順序で形成した発光素子の製造方法において、
単結晶基板上に発光層部を有機金属気相成長法により形成する第一の気相成長工程と、
該第一の気相成長工程の後に、有機金属気相成長法とは異なるハイドライド気相成長法により、電流拡散層をｎ型半導体層として形成する第二の気相成長工程と
を有することを特徴とする。
【００５６】
同じく本発明の発光素子の第一の構成は以下の通りである：
単結晶基板上に、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と電流拡散層とを形成した発光素子において、
単結晶基板上に、発光層部が有機金属気相成長法により形成されてなり、
該発光層部の上に、電流拡散層が前記有機金属気相成長法とは異なるハイドライド気相成長法を用いてｎ型半導体層として形成されてなることを特徴とする。
【００５７】
また、第二の構成は以下の通りである：
単結晶基板上に、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と電流拡散層と、発光層部に発光駆動電圧を印加するための電極とをこの順序で形成した発光素子において、
発光層部は、２種以上のＩＩＩ族元素を含む（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０＜ｙ≦１）にて構成されるｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層が、電極側からこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有し、かつ、ｎ型クラッド層がＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上をドーパントとするｎ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰにて構成され、電流拡散層は、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とし、かつ、発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きいｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層として形成され、さらに、
電流拡散層中のＣ濃度が、ｎ型クラッド層のＣ濃度よりも小さくされてなることを特徴とする。
【００５８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である発光素子１００を示す概念図である。発光素子１００は、ｐ型ＧａＡｓ単結晶基板（以下、単に基板という）１の第一主表面上に素子本体部が形成されている。この基板１の第一主表面ＭＰ１と接するようにｐ型ＧａＡｓバッファ層２が形成され、該バッファ層２上に発光層部２４が形成される。そして、その発光層部２４の上に電流拡散層７が形成され、その電流拡散層７の上に、発光層部２４に発光駆動電圧を印加するための第一電極９が形成されている。また、基板１の第二主表面ＭＰ２側には、同じく第二電極２０が全面に形成されている。第一電極９は、第一主表面ＰＦの略中央に形成され、該第一電極９の周囲の領域が発光層部２４からの光取出領域とされている。また、第一電極９の中央部に電極ワイヤ１７を接合するためのＡｕ等にて構成されたボンディングパッド１６が配置されている。
【００５９】
発光層部２４は、ノンドープ（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦０．５５，０．４５≦ｙ≦０．５５）混晶からなる活性層５を、ｎ型（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｎ型クラッド層６とｐ型（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｐ型クラッド層４とにより挟んだ構造を有する。また、第一電極９側にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６が配置されており、第二電極２０側にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が配置されている。従って、通電極性は第一電極９側が負である。なお、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有（例えば１０１３〜１０１６／ｃｍ３程度を上限とする）をも排除するものではない。
【００６０】
電流拡散層７は、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上としたｎ型ＧａＰ層として形成されている。また、電流拡散層７中のＣの含有濃度及び、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントの含有濃度は、それぞれ、ｎ型クラッド層６の含有濃度よりも小さくされてなる。さらに、電流拡散層７には、第一電極９に対応する位置に、ｐ型ＡｌｄＧａ１−ｄＰ（例えばｄ＝０．２）よりなる電流阻止層１０が埋設形成されている。電流拡散層７の形成厚さｔ１は、例えば５μｍ以上２０μｍ以下（一例として、１０μｍ）である。また、電流阻止層１０の厚さは０．０５μｍ以上１μｍ以下（例えば０．１μｍ）である。
【００６１】
電流拡散層７の第一電極９を形成する側の主表面を含む表層部には、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントの含有濃度が電流拡散層７内の残余の部分よりも高くされた、高濃度ドーピング層８が形成されている。電流拡散層７のＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントのキャリア濃度は、高濃度ドーピング層８において１×１０１ ８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下（例えば、１×１０１９／ｃｍ３）であり、高濃度ドーピング層８以外の部分において１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３以下（例えば、８×１０１７／ｃｍ３）とされている。
【００６２】
高濃度ドーピング層８の厚さｔ２は１μｍ以上４μｍ以下（例えば３μｍ）である。高濃度ドーピング層８の厚さｔ２は、ドーパントが最も高濃度となる電流拡散層表層部のｎ型ドーパント含有濃度をＮｍａｘとし、他方、電流拡散層７の拡散の影響を受けていない部分でのｎ型ドーパント含有濃度をＮｍｉｎとしたとき、層厚方向において略（Ｎｍａｘ＋Ｎｍｉｎ）／２となる位置を、高濃度ドーピング層８と残余の部分との境界位置として定めることにより特定される。なお、各層中のドーパント含有濃度及びＣ濃度は、二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＳＩＭＳ）により測定されたものをいう。また、キャリア濃度は周知の導電率測定により特定可能である。
【００６３】
電流拡散層７のうち、ｎ型クラッド層６と電流阻止層１０との間に位置する部分は、ＭＯＶＰＥ法により形成された第一層７ａである。また、電流阻止層１０に関して第一層７ａの反対側には、該第一層７ａとともに電流阻止層１０をくるむように覆う形で、電流拡散層７の要部をなす第三層７ｂが形成されている。この第三層７ｂは、後述するＨＶＰＥ法により形成されたものであり、第一電極９側の表層部がＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントにより前述の高濃度ドーピング層８とされている。
【００６４】
電流拡散層７中のＣ濃度は、ＨＶＰＥ法の採用により、ＭＯＶＰＥ法によるｎ型クラッド層６のＣ濃度（通常、１５×１０１７／ｃｍ３程度）よりも小さく設定できる。具体的には、電流拡散層のハイドライド気相成長法により形成された部分のＣ濃度を７×１０１７／ｃｍ３以下とすることができる。本実施形態では、電流拡散層７のうち第一層７ａだけはＭＯＶＰＥ法により形成され、この部分のＣ濃度は多少高くなる。しかし、第三層７ｂのＣ濃度は７×１０１７／ｃｍ３以下であり、通常、２×１０１７以下である。第一層７ａの厚さは第三層７ｂの厚さよりもはるかに小さいので、いずれにしても、電流拡散層７中のＣ濃度はｐ型クラッド層６のＣ濃度よりも十分に低い値となる。そして、電流拡散層７の要部をなす第三層７ｂのうち、高濃度ドーピング層８を除いた部分は、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントの含有濃度をｎ型クラッド層６の含有濃度よりも低く設定しても、ｐ型ドーパントとして振舞うＣの量が少ないので、十分な導電性を確保することができる。その結果、素子ライフの向上を図ることができる。
【００６５】
また、電流拡散層７は、面内方向の電流拡散が主に高濃度ドーピング層８にて進む。そして、電流拡散層７における高濃度ドーピング層８以外の内層部分は、ドーパントによるキャリア濃度が低く面内方向の抵抗率が高いので、電流は該内層部分に入ると面内方向への再拡散が生じにくく、電極９の外側領域に迂回しつつ流れやすくなる。その結果、光取出し効率が向上する。
【００６６】
なお、本実施形態では、第一層７ａと第三層７ｂとを同じ化合物半導体（具体的にはＧａＰ）により形成しているが、互いに異なる化合物半導体にて形成することもできる（例えば、第一層７ａをｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きい）とし、第三層７ｂをｎ型ＧａＰとする）。また、第一層７ａと第三層７ｂとはいずれもｎ型ドーパントが添加される。このｎ型ドーパントの種類を、第一層７ａと第三層７ｂとで異なるものとしてもよい。
【００６７】
以下、図１の発光素子１００の製造方法について説明する。
まず、図２の工程▲１▼に示すように、ｐ型ＧａＡｓ単結晶基板１を用意する。そして、工程▲２▼に示すように、その基板１の第一主表面ＭＰ１に、ｐ型ＧａＡｓバッファ層２を例えば０．５μｍ、次いで、発光層部２４として、各々（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰよりなる、１μｍのｐ型クラッド層４（ｐ型ドーパントはＺｎやＭｇ：有機金属分子からのＣもｐ型ドーパントとして寄与しうる）、０．６μｍの活性層（ノンドープ）５、及び１μｍのｎ型クラッド層６（ｎ型ドーパントはＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上）を、この順序にてエピタキシャル成長させる（第一の気相成長工程）。これら各層のエピタキシャル成長は、公知のＭＯＶＰＥ法により行なわれる。Ａｌ、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｐ（リン）の各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる；
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など；
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など；
・Ｉｎ源ガス；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など。
・Ｐ源ガス：トリメチルリン（ＴＭＰ）、トリエチルリン（ＴＥＰ）、ホスフィン（ＰＨ３）など。
【００６８】
次に、図３の工程▲３▼では、上記第一の気相成長工程の反応容器内にて引き続き、すでに形成された発光層部２４の上に、ｎ型ＧａＰからなる第一層７ａ（ＭＯ層部である）と、電流阻止層をなすｐ型ＡｌｄＧａ１−ｄＰ（例えばｄ＝０．２）からなる第二層１０’とをＭＯＶＰＥ法により順次形成する。次に、第二層１０’の、電流阻止層１０として残す部分の表面を、フォトレジスト層３０にて覆う。そして、工程▲４▼に進み、塩酸からなる第一のエッチング液によりエッチングすると、第二層１０’の、フォトレジスト層３０にて覆われなかった部分が選択的にエッチングされる。エッチングが終了したら、洗浄後、フォトレジスト層３０を除去する。
【００６９】
図４の工程▲５▼に進み、ｎ型ＧａＰよりなる第三層７ｂ（ＨＶＰＥ層部である）を、ＨＶＰＥ法により、電流阻止層１０をくるむように成長させる（第二の気相成長工程）。ＨＶＰＥ法は、具体的には、容器内にてＩＩＩ族元素であるＧａを所定の温度に加熱保持しながら、そのＧａ上に塩化水素を導入することにより、下記（１）式の反応によりＧａＣｌを生成させ、キャリアガスであるＨ２ガスとともに基板上に供給する。
Ｇａ（液体）＋ＨＣｌ（気体） → ＧａＣｌ（気体）＋１／２Ｈ２‥‥（１）
ＧａＰの場合、成長温度は例えば６４０℃以上８６０℃以下に設定する。また、Ｖ族元素であるＰは、ＰＨ３をキャリアガスであるＨ２とともに基板上に供給する。さらに、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントは、それぞれＳｉＨ４、Ｈ２Ｓ、Ｈ２Ｓｅ、ＤＥＴｅの形で供給する。ＧａＣｌはＰＨ３との反応性に優れ、下記（２）式の反応により、Ｇａとの間で効率よく、電流拡散層７の要部をなす第三層７ｂを成長させることができる：
ＧａＣｌ（気体）＋ＰＨ３（気体）
→ＧａＰ（固体）＋ＨＣｌ（気体）＋Ｈ２（気体）‥‥（２）
【００７０】
なお、基板１は、＜１００＞方向を基準方向として、該基準方向に対するオフアングルが１゜以上２５゜以下の主軸Ａを有するものとすることができる（主軸Ａは、＜１１１＞方向を基準として同様のオフアングルを有するものであってもよい）。特に、オフアングルが１０°以上２０°以下（望ましくは１３°以上１７°以下）の主軸を有するＧａＡｓ単結晶基板を用いると、電流拡散層７の表面への振幅の大きな突起状の結晶欠陥の形成抑制に効果があり、また、平滑な表面状態を得るための、ＨＶＰＥ法による電流拡散層７の適正な成長温度を、６４０℃以上７５０℃以下（より望ましくは６８０℃以上７２０℃以下）に下げることができ、ｎ型クラッド層６及びｐ型クラッド層４から活性層５へのドーパント拡散を抑制することができ、ひいては発光層部２４のドーパントプロファイルの拡散劣化を抑制することができる。
【００７１】
上記第三層７ｂの成長が終了したら工程▲６▼に進み、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントが高濃度に添加された高濃度ドーピング層８を形成する。
【００７２】
以上の工程が終了すれば、真空蒸着法により第一電極９及び第二電極２０を形成し、さらに第一電極９上にボンディングパッド１６を配置して、適当な温度で電極定着用のベーキングを施す。そして、第二電極２０をＡｇペースト等の導電性ペーストを用いて支持体を兼ねた図示しない端子電極に固着する一方、ボンディングパッド１６と別の端子電極とにまたがる形態でＡｕ製のワイヤ１７をボンディングし、さらに樹脂モールドを形成することにより、発光素子１００が得られる。なお、ワイヤ１７のボンディングは、カメラにより素子の第一表面を画像撮影し、周知の画像処理方法によりボンディングパッド１６領域を識別して、自動ボンディング装置にて行なう。
【００７３】
以下、発光素子１００の種々の変形例について説明する（図１の発光素子１００と同一構成部分には同一の符号を付与して詳細は省略し、相違点のみ説明する）。図５の発光素子２００は、電流阻止層１０を、電流拡散層７をなす第一層７ａ及び第三層７ｂと同じＧａＡｓＰ（ただし、導電型はｐ型）にて構成した例である。この場合は、図３の工程が、図６のように変更される。すなわち、工程▲７▼に示すように、ＧａＰからなる第四層１１’をエッチストップ層として形成し、工程▲８▼に示すように、電流阻止層１０となるＧａＡｓ１−ａＰａ（０．５≦ａ≦０．９）からなる第二層１０’を、例えば硫酸−過酸化水素水混合液を用いて選択エッチングする。さらに工程▲９▼においては、電流阻止層１０の周囲に露出している第四層１１’をエッチング除去する。電流阻止層１０の下側の第四層１１は残留する。以降の工程は、図４と同じである。
【００７４】
電流拡散層をＧａＡｓ１−ａＰａ（０．５≦ａ≦０．９）、電流阻止層をＡｌｄＧａ１−ｄＰ（例えばｄ＝０．２）にて構成する場合、ＨＶＰＥ法によるＧａＡｓ１−ａＰａ層（第三層７ｂ）の形成が、前記（２）式において、ＰＨ３とともにＡｓＨ３が併用され、成長温度が、６４０℃以上８３０℃以下とやや低めに設定される。
【００７５】
ＧａＡｓ１−ａＰａより電流拡散層を構成することで、上記のようにＨＶＰＥ法により成長する際の成長温度が低い。従って、発光層部側に、ｎ型のＧａＡｓ１−ａＰａからなる電流拡散層をＨＶＰＥ法により成長する際に、そのｎ型ドーパント（Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上）が発光層部側に過度に拡散したり、あるいは発光層部２４に含まれるｎ型クラッド層６内のｎ型ドーパントが活性層５内に拡散したりして、発光性能を低下させたりする不具合が、より生じにくい。
【００７６】
電流拡散層７を上記のようにＧａＡｓＰにて構成する場合、従来のＬＰＥ法を採用した場合は、ロット内あるいはロット間での組成のバラツキを生じやすい問題があったが、本発明のようにＨＶＰＥ法を採用すると、このような組成のバラツキがＬＰＥ法よりもはるかに生じにくくなる利点がある。
【００７７】
なお、図７の発光素子３００のように、第四層１１’の厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の小さな値とされていれば、電流阻止層（第二層）１０の外側に露出している第四層１１’をエッチングせずに第三層７ｂを形成することができる。この場合、電流阻止層１０の外側においても、第一層７ａと第三層７ｂとの間には第四層１１’が介在形成された構造となる。第四層１１’を上記のように極薄く形成することで、バンド不連続等の影響も小さくなり、発光層部２４への通電も支障なく行なうことができる。当然、第四層１１’のエッチングを省略できるので、工程も簡便である。
【００７８】
また、図８の発光素子４００は、電流阻止層を省略した構成を示している。この場合も、まず電流拡散層７の発光層部２４と接する部分７ｐをＭＯＶＰＥ法によるＭＯ層部として形成し、電流拡散層７のそれ以外の部分をＨＶＰＥ法によるＨＶＰＥ層部として形成するとよい。
【００７９】
さらに、図９の発光素子５００は、、電流拡散層７の要部をｎ型ＧａＰにより形成し、電流拡散層７の電極形成側部分のみｎ型ＧａＡｓＰ層７ｓとして形成するとともに、そのＧａＡｓＰ層７ｓ内にＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上をドーパントとする高濃度ドーピング層８を形成した例である。ＨＶＰＥ法によると、電流拡散層７の成長途中で組成を変更すること（この場合、ＧａＰ→ＧａＡｓＰ）が、Ｖ族元素ガス（ＡｓＨ３及びＰＨ３）の配合比率の変更により、容易に行なうことができる。
【００８０】
以上のすべての実施形態においては、活性層５は上記実施形態では単一層として形成していたが、これを、バンドギャップエネルギーの異なる複数の化合物半導体層が積層されたもの、具体的には、量子井戸構造を有するものとして構成することもできる。量子井戸構造を有する活性層は、混晶比の調整によりバンドギャップが互いに相違する２層、すなわちバンドギャップエネルギーの小さい井戸層と大きい障壁層とを、各々電子の平均自由工程もしくはそれ以下の厚さ（一般に、１原子層〜数ｎｍ）となるように格子整合させる形で積層したものである。上記構造では、井戸層の電子（あるいはホール）のエネルギーが量子化されるため、例えば半導体レーザー等に適用した場合に、発振波長をエネルギー井戸層の幅や深さにより自由に調整でき、また、発振波長の安定化、発光効率の向上、さらには発振しきい電流密度の低減などに効果がある。さらに、井戸層と障壁層とは厚さが非常に小さいため、２〜３％程度までであれば格子定数のずれが許容され、発振波長領域の拡大も容易である。なお、量子井戸構造は、井戸層を複数有する多重量子井戸構造としてもよいし、井戸層を１層のみ有する単一量子井戸構造としてもいずれでもよい。なお、障壁層の厚さは、例えばクラッド層と接するもののみ５０ｎｍ程度とし、他は６ｎｍ程度とすることができる。また、井戸層は５ｎｍ程度とすることができる。
【００８１】
また、基板１の上に発光層部２４をバッファ層２を介して直接形成していたが、基板１と発光層部２４との間に、光取出し効率を向上させるために反射層を介挿してもよい。反射層としては、例えば、特開平７−６６４５５号公報に開示されているような、屈折率の相違する半導体膜を複数積層したものを利用することができる。
【００８２】
また、図１１の発光素子６００は、図１の発光素子１００のＧａＡｓ単結晶基板１をエッチング等により除去し、代わって反射用の金属層１０２（例えばＡｕ層あるいはＡｇ層である）を介して、導電性基板であるＳｉ基板（Ａｌ等の金属板でもよい）を貼り合わせたものである。金属層１０２と発光層部２４との間には、両者の接合抵抗を低減するためのコンタクト層１０２ｃ（本実施形態ではＡｕＧｅＮｉ層とされている）が分散形成されている。コンタクト層１０２ｃの非形成領域では、金属層１０２による反射効果が特に高い。また、図１２の発光素子７００は、図１の発光素子１００のＧａＡｓ単結晶基板１をエッチング等により除去し、代わって透明導電性基板であるＧａＰ基板１０３（本実施形態ではｐ型）を貼り合わせたものである。ＧａＰ基板１０３の側面１０３Ｓからの光取出が可能である。本実施形態では、ＧａＰ基板１０３の裏面にコンタクト層１２０ｃが分散形成され、該コンタクト層１２０ｃの非形成領域とともに、発光層部２４に発光駆動電圧を印加するための電極１２０（例えばＡｕ電極）により覆われている（電極１２０に換えてＡｇペースト層を形成してもよい）。図１１及び図１２のいずれの発光素子６００，７００においても、電流拡散層７はＧａＡｓＰにて構成することもできる。
【００８３】
図１３の発光素子８００は、素子基板を兼用した厚膜の電流拡散層９０を、発光層部２４（ｐ型クラッド層４、活性層５及びｎ型クラッド層６の積層順は、図１と逆である）の裏面側に成長させた例を示すものである。ここでは、電流拡散層９０を、ＨＶＰＥ法によるｎ型ＧａＰのエピタキシャル成長層としており、その厚さｔｂは５０μｍ以上２００μｍ以下（例えば１００μｍ）である。ＧａＰは発光層部２４からの発光光束に対して透明であり、その側面９０ｓからも光取出が可能となる。本実施形態においては、発光層部２４の該光取出面側（ｐ型クラッド層４側）に透光性を有するコンタクト用導電層９１が設けられ、電極９及びボンディングパッド１６が該コンタクト用導電層９１上に設けられている。このコンタクト用導電層９１は、例えばＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰなどで構成できるが、導電性酸化物で構成してもよい。
【００８４】
図１３の発光素子８００を製造する場合、図２の工程▲２▼を実施した後、発光層部２４のＧａＡｓ基板１と反対側（ｎ型クラッド層６側）の主表面上に、ＨＶＰＥ法により電流拡散層９０を直接厚膜成長させる。その後、ＧａＡｓ基板１を除去し、その除去された側（ｐ型クラッド層４側）の発光層部２４の主表面に、コンタクト用導電層９１を、ＨＶＰＥ法によりエピタキシャル成長することができる（例えば、コンタクト用導電層９１をＧａＰ、ＧａＡｓＰで構成する場合）。他方、コンタクト用導電層９１をＡｌＧａＡｓあるいはＡｌＧａＩｎＰ等で構成する場合のように、ＧａＡｓ基板１上にコンタクト用導電層９１をＭＯＶＰＥ法で成長しておき、さらに発光層部２４を成長した後、ＧａＡｓ基板１を除去するようにしてもよい。なお、ＡｌＧａＩｎＰにてコンタクト用導電層９１を形成する場合、発光層部側のクラッド層（図１３ではｐ型クラッド層４）をなすＡｌＧａＩｎＰと同じ混晶比としてもよいし、異なる混晶比としてもよい。同じ混晶比とする場合、クラッド層よりもドーパント濃度を高め、導電性を高めておくことが望ましい。また、異なる混晶比とする場合は、発光層部２４の活性層５よりもバンドギャップが大きくなる混晶比を採用することが、透光性を高める観点において望ましい。
【００８５】
なお、図１２の発光素子７００及び図１３の発光素子８００においては、ＧａＰ基板１０３ないし電流拡散層９０の裏面には、コンタクト層１２０ｃ（図１２では、ｐ型ＧａＰ基板１０３と接するＡｕＢｅ層であり、図１３では、ｎ型ＧａＰからなる電流拡散層９０と接するＡｕＧｅＮｉ層である）が分散形成されている。本実施形態では、このコンタクト層１２０ｃが、コンタクト層１２０ｃの非形成領域とともに、発光層部２４に発光駆動電圧を印加するための電極１２０（例えばＡｕ電極）により覆われている（電極１２０に換えてＡｇペースト層を形成してもよい）。これにより、コンタクト層１２０ｃの非形成領域では、電極１２０による反射効果を高めることができる。
【００８６】
以下、高角度のオフアングルを有する単結晶基板を用いたときの効果を確認するために、次の実験を行なった。まず、図１の発光素子を製造するためのダイシング前の基板を、各層が以下の厚さとなるように形成した。なお、使用したＧａＡｓ単結晶基板は、＜１００＞方向を基準方向として、該基準方向に対するオフアングルを２°以上２０°以下の範囲で種々に設定したものを用いている。
・ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６＝１μｍ（Ｓｉドーピング濃度：１×１０１７〜３×１０１７／ｃｍ３）；
・ＡｌＧａＩｎＰ活性層５＝０．６μｍ（発光波長６５０ｎｍ）（ノンドープ）；
・ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４＝１μｍ（Ｍｇドーピング濃度：４×１０１７〜１０×１０１７／ｃｍ３）；
・電流拡散層７：５〜５０μｍ
・電流阻止層１０：０．１μｍ。
【００８７】
なお、ＨＶＰＥ法による電流拡散層７の形成厚さは５μｍ以上５０μｍ以下の値にて種々に設定し、成長温度は６４０℃以上８４０℃以下の範囲で種々に設定した。得られた基板は、電流拡散層７の表面を光学顕微鏡により観察するとともに、平面外径２０μｍ以上の粗大な突起状結晶欠陥の、単位面積当たり個数を計数した（判定条件を表下に示している）。該結果を表１にまとめて示す。
【００８８】
【表１】
【００８９】
この結果によると、オフアングルが１０°以上２０°以下の範囲では、電流拡散層７の成長温度を７９０℃以下の比較的低温に設定した場合でも、電流拡散層７の表面における突起状結晶欠陥の形成個数を顕著に減少でき、平滑で良好な層表面が得られていることがわかる。特に、オフアングルを、１３゜以上１７°以下の範囲内の値である１５°に設定したとき、電流拡散層７の成長温度を６９０℃ないし６４０℃まで下げても、突起状結晶欠陥の形成抑制効果はあまり損なわれていないことがわかる。また。図１０は、各オフアングルでの、電流拡散層７の表面状態が最適化される下限温度において、種々の厚さにＧａＰ電流拡散層をＨＶＰＥ法により成長したときの、発光層部２４のメサ輝度（特開昭５１−１４４１８５号公報参照）の測定結果を示すものである。通常、電流拡散層７の厚さが大きくなるほど電流の面内拡散効果が高められ、発光層部２４に電流を均一供給できるので、メサ輝度は該電流拡散層７の厚さとともに増加する。しかし、電流拡散層の成長厚さがある程度大きくなれば、その成長の熱履歴に発光層部２４が曝される時間が長くなり、ドーパントプロファイルの拡散劣化が進行して、メサ輝度の増加傾向は鈍ることになる。図１０の結果によると、オフアングルを１５°に設定した場合、表１の結果からも明らかな通り、電流拡散層７の表面状態が最適化される下限温度は６９０℃であり、オフアングルが２°である場合の８４０℃よりも１５０℃も低い。その結果、電流拡散層７の厚さに対するメサ輝度の増加率の鈍りが小さく、特に電流拡散層７を２５μｍ以上に設定したときのメサ輝度の相対値は、オフアングルが２°の場合よりも、１０〜４０％近くも増大していることがわかる。また、図１０には、比較のため、オフアングルが１５°で、成長温度を８９０℃に設定した場合も結果も示しているが、この場合は電流拡散層膜厚に対するメサ輝度の増加率の鈍りが相当大きくなっている。つまり、オフアングルが１５°で成長温度を６９０℃とした場合に良好な結果が得られている要因は、成長温度の低減によりドーパントプロファイルの拡散防止が図られているためであることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子の一例を積層構造にて示す模式図。
【図２】図１の発光素子の製造工程を示す説明図。
【図３】図２に続く説明図。
【図４】図３に続く説明図。
【図５】図１の発光素子の、第一の変形例を示す図。
【図６】図５の発光素子の製造工程の、図３の工程との相違点を抜き出して示す説明図。
【図７】図１の発光素子の、第二の変形例を示す図。
【図８】図１の発光素子の、第三の変形例を示す図。
【図９】図１の発光素子の、第四の変形例を示す図。
【図１０】ＧａＡｓ単結晶基板のオフアングルを種々の値に設定したときの、メサ輝度と電流拡散層厚さとの関係を測定した実験結果を示すグラフ。
【図１１】図１の発光素子の、第五の変形例を示す図。
【図１２】図１の発光素子の、第六の変形例を示す図。
【図１３】図１の発光素子の、第七の変形例を示す図。
【符号の説明】
１ 単結晶基板
４ ｐ型クラッド層（第二導電型クラッド層）
５ 活性層
６ ｎ型クラッド層（第一導電型クラッド層）
７ 電流拡散層
７ａ 第一層
７ｂ 第三層
８ 高濃度ドーピング層
９ 第一電極
１０ 電流阻止層
１０’ 第二層
１１ 第四層
２４ 発光層部
１００ 発光素子
【発明の属する技術分野】
この発明は発光素子の製造方法及び発光素子に関し、詳細には、発光の取出をｎ型半導体層側から行なう発光素子に適した発光素子の製造方法および発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ混晶（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１；以下、ＡｌＧａＩｎＰ混晶、あるいは単にＡｌＧａＩｎＰとも記載する）により発光層部が形成された発光素子は、薄いＡｌＧａＩｎＰ活性層を、それよりもバンドギャップの大きいｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とによりサンドイッチ状に挟んだダブルへテロ構造を採用することにより、高輝度の素子を実現できる。また、このような発光素子においては、発光層部にて得られる発光を取り出す側が、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層側またはｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層側のいずれかが採用される。なお、本発明においては、発光層部における発光をｎ型半導体層側から取り出す発光素子を対象とする。つまり、ここでは、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層側から発光を取り出すものとなる。
【０００３】
例えば、ＡｌＧａＩｎＰ発光素子を例に取れば、ｐ型ＧａＡｓ基板上にヘテロ形成させる形にて、ｐ型ＧａＡｓバッファ層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ活性層、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層をこの順序にて積層し、ダブルへテロ構造をなす発光層部を形成する。発光層部への通電は、素子表面に形成された金属電極を介して行なわれる。ここで、金属電極は遮光体として作用するため、例えば発光層部主表面の中央部のみを覆う形で形成され、その周囲の電極非形成領域から光を取り出すようにする。
【０００４】
この場合、金属電極の面積をなるべく小さくしたほうが、電極の周囲に形成される光漏出領域の面積を大きくできるので、光取出し効率を向上させる観点において有利である。従来、電極形状の工夫により、素子内に効果的に電流を拡げて光取出量を増加させる試みがなされているが、この場合も電極面積の増大はいずれにしろ避けがたく、光漏出面積の減少により却って光取出量が制限されるジレンマに陥っている。また、クラッド層のドーパントのキャリア濃度ひいては導電率は、活性層内でのキャリアの発光再結合を最適化するために多少低めに抑えられており、面内方向には電流が広がりにくい傾向がある。これは、電極被覆領域に電流密度が集中し、光漏出領域における実質的な光取出量が低下してしまうことにつながる。そこで、クラッド層と電極との間に、キャリア濃度を高めた低抵抗率の電流拡散層を形成する方法が採用されている。他方、厚膜の電流拡散層を素子裏面側に配置し、素子基板に兼用させる構成も考えられる（この場合、該電流拡散層は導電性の素子基板とみなすこともできるが、本明細書ではこれも広義に電流拡散層の概念に属するものとみなす）。従来、このような電流拡散層は、発光層部とともに、有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ：以下、ＭＯＶＰＥ法ともいう） により形成されることが多かった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような発光素子における電流拡散層は、面内方向に電流を十分に拡げるために、層厚をある程度大きく設定すること、例えば発光層部よりは厚みを大きくして形成されるのが一般的である。しかし、ＭＯＶＰＥ法は層成長速度が小さく、十分な厚さの電流拡散層を成長させるには非常な長時間を要し、製造能率の低下とコストの増大を招く問題がある。また、ＩＩＩ族元素源としてＭＯＶＰＥ法に使用する有機金属は一般に高価である。さらに、ＭＯＶＰＥ法においては、結晶性の向上を図るために、ＩＩＩ族元素源に対してＶ族元素源（ＡｓＨ３、ＰＨ３など）を相当大きな比率（１０〜数百倍）にて配合しなければならないことも、コスト上は不利に作用する。
【０００６】
また、ＭＯＶＰＥ法により成長された電流拡散層には、有機金属分子からのＨ（水素）やＣ（炭素）が残留しやすい。そして、電流拡散層の導電型をＳｉ（シリコン）、Ｓ（硫黄）、Ｓｅ（セレン）やＴｅ（テルル）のドーピングによりｎ型とする場合、残留したＣがｐ型ドーパントとして寄与してしまい、電流拡散層として必要な導電率を確保するには、比較的多量のＳｉ、Ｓ、ＳｅやＴｅのｎ型ドーパントの添加が必要となる。しかし、これらｎ型ドーパントを多量に添加すると、以下のような問題を生ずる。
【０００７】
すなわち、発光素子は、通電を継続するに伴い発光輝度が次第に低下する。例えば、一定電流により素子への通電を開始した直後に測定した発光輝度を初期輝度とし、積算通電時間の経過に従い減少する発光輝度を追跡したとき、発光輝度が予め定められた限界輝度に到達する時間、あるいは評価通電時間を一定値（例えば１０００時間）に固定したときの、初期輝度に対する評価通電時間経過後の輝度の比（以下、これを素子ライフと称する）は、素子寿命を評価するための一定の尺度となりえる。そして、電流拡散層中の、特に発光層部と隣接する部分のｎ型ドーパントの含有濃度が高くなりすぎると、この素子ライフが低下しやすくなる。
【０００８】
本発明は、導電型がｎ型とされる電流拡散層を効率よく形成できる発光素子の製造方法を提供することを第一の課題とする。また、ｎ型とされる電流拡散層を用いつつも、素子ライフを向上可能な発光素子を提供することを第二の課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記第一の課題を解決するために、本発明の発光素子の製造方法は、
単結晶基板上に、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と電流拡散層とを形成し、発光層部に発光駆動電圧を印加するための電極を形成する発光素子の製造方法において、
単結晶基板上に発光層部を有機金属気相成長法により形成する第一の気相成長工程と、
該第一の気相成長工程の後に、有機金属気相成長法とは異なるハイドライド気相成長法により、電流拡散層をｎ型半導体層として形成する第二の気相成長工程と
を有することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の発光素子の第一の構成は、
単結晶基板上へのエピタキシャル成長により形成した、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と電流拡散層とを有する発光素子において、
発光層部は有機金属気相成長法により形成されてなり、
該発光層部の上に、電流拡散層が前記有機金属気相成長法とは異なるハイドライド気相成長法を用いてｎ型半導体層として形成されてなることを特徴とする。
【００１１】
本発明においては、電流拡散層を、ｎ型半導体層として、ハイドライド気相成長法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｉａｌ Ｇｒｏｗｔｈ Ｍｅｔｈｏｄ：以下、ＨＶＰＥ法という）を用いて形成する。ＨＶＰＥ法は、蒸気圧の低いＧａを塩化水素との反応により気化しやすいＧａＣｌに転換し、該ＧａＣｌを媒介とする形でＶ族元素源ガスとＧａとを反応させることにより、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の気相成長を行なう方法である。ＭＯＶＰＥ法による層成長速度が約４μｍ／時であるのに対しＨＶＰＥ法では約９μｍ／時であり、ＨＶＰＥ法によると層成長速度をＭＯＶＰＥ法よりも大きくでき、ある程度厚さを要する電流拡散層も非常に高能率にて形成できるので、原材料費をＭＯＶＰＥ法よりもはるかに低く抑えることができる。また、ＨＶＰＥ法では、ＩＩＩ族元素源として高価な有機金属を使用せず、ＩＩＩ族元素源に対するＶ族元素源（ＡｓＨ３、ＰＨ３など）の配合比率もはるかに少なくて済む（例えば１／３倍程度）ので、コスト的に有利である。
【００１２】
特に電流拡散層の材質として、ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）を採用すると、ＨＶＰＥ法による成長が容易で、高品質の電流拡散層を得やすくなる利点がある。なお、本発明において、ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）は、ＧａＰ混晶比ａが１の場合を含むので、ＧａＰの概念を含んでいる。他方、ＧａＰ混晶比ａが０の場合も含むので、ＧａＡｓも概念として含むが、ＧａＡｓはＧａＰよりもバンドギャップが小さいので発光層部２４からの発光光束に対する吸収を生じやすい。従って、ＧａＰ混晶比ａは０より大きく設定することが望ましい。
【００１３】
本発明における電流拡散層は、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とし、かつ、前記発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きいｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層として形成されることを特徴とする。本発明においては、電流拡散層をＨＶＰＥ法により成長するので、ＭＯＶＰＥ法と異なりＨやＣの残留が生じにくい。従って、電流拡散層を、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上としたｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層として形成する場合、ｐ型ドーパントとされるＣの残留量が抑制されることにより、それらｎ型ドーパントのドーピング効率を効果的に高めることが可能となる。このことは、必要な導電率を確保するためのｎ型ドーパントの添加量を、ＭＯＶＰＥ法による電流拡散層と比較してはるかに少量に留めることができることを意味し、結果として、ｎ型ドーパントの含有濃度の軽減により前述の素子ライフを大幅に向上することができる。ＨＶＰＥ法（ハイドライド気相成長法）により形成された電流拡散層のＣ濃度は、例えば７×１０１７／ｃｍ３以下に留めることが可能であり、検出限界以下（例えば１×１０１７／ｃｍ３程度あるいはそれ以下）とすることも比較的容易である。つまり、電流拡散層のハイドライド気相成長法により形成された部分のＣ濃度は、７×１０１７／ｃｍ３以下とすることができる。なお、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上としたｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層からなる電流拡散層は、光吸収を抑制して光取出し効率を向上させるため、発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーが大きくなるように、ＧａＰ混晶比ａを選択することが望ましい。
【００１４】
電流拡散層における、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型のドーパントのキャリア濃度は、例えば１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下とすることができる。電流拡散層のｎ型ドーパントのキャリア濃度が１×１０１７／ｃｍ３未満では十分な導電率と電流拡散効果が得られず、５×１０１９／ｃｍ３を超えると合金化により結晶性が損なわれる。
【００１５】
本発明においては、電流拡散層を成長速度の大きいＨＶＰＥ法にて成長するので、ＭＯＶＰＥでは現実的な時間の範囲内で成長困難な２０μｍ以上の電流拡散層も、比較的高能率に得られる利点がある。特に、５０μｍ以上の厚さに電流拡散層を成長させれば、該電流拡散層を素子基板に兼用させることも可能となる。この場合、該素子基板を兼用する電流拡散層は、発光層部の光取出面側に配置してもよいし（この場合、電流拡散層の主表面の一部領域のみが電極にて覆われる）、裏面側に配置してもよい。
【００１６】
電流拡散層を裏面側に配置する場合は、発光層部からの光に対し透光性を有する該電流拡散層の裏面を部分的に覆うコンタクト層を形成することができる。また、電流拡散層の裏面側にてコンタクト層を、該コンタクト層の非形成領域とともに覆う、反射層を兼ねた金属電極で覆うこともできる。この場合、コンタクト層は金属電極と電流拡散層との接合抵抗を低減する役割を果たす。他方、電流拡散層の裏面側にて該コンタクト層を、コンタクト層の非形成領域とともにＡｇペースト等の金属ペースト層で覆うこともできる。いずれの態様においても、特にコンタクト層の非形成領域において金属電極又は金属ペースト層による発光光束の反射効果を高めることができる。
【００１７】
なお、電流拡散層の厚さが２００μｍを超えると、ＨＶＰＥ法を用いているといえども成長時間が相当長くなり、製造能率の低下につながる場合がある。このような観点から、電流拡散層（第二の気相成長工程において形成される）の形成厚さは２００μｍ以下とすることが望ましい。ただし、電流拡散層が過度に薄くなれば、電流拡散効果が十分に得られなくなって発光効率の低下につながる。従って、電流拡散層の厚さは、５μｍ以上は確保しておくことが望ましい。なお、電流拡散層を素子基板に兼用させない場合は、製造能率を優先させて、その形成厚さを５０μｍ未満に留めることが望ましい。特に、成長温度が比較的高い場合（例えば８００℃以上）は、電流拡散層の厚さを５０μｍ以上に増加させても発光強度の大幅な増加は望めないので、電流拡散層の厚さを５０μｍ未満、望ましくは２０μｍ以下に留めることが望ましいといえる。他方、後述のごとく、成長用の単結晶基板のオフアングル最適化により、ＨＶＰＥ法による電流拡散層の成長温度は大幅に低減できるので、この場合は、電流拡散層を厚膜化することにより発光強度をさらに向上でき、５０μｍ以上の層厚設定が有効となる場合がある。
【００１８】
次に、電流拡散層の電極を形成する側の主表面を含む表層部には、多数キャリアを生じさせるためのドーパントキャリア濃度が電流拡散層内の残余の部分よりも高くされた、高濃度ドーピング層を形成することが望ましい。このような高濃度ドーピング層を形成することにより、電流拡散層表層部での電流の面内拡散効果が高められ、ひいては層厚が小さくとも十分な電流拡散効果が得られる。また、層の全体に渡ってドーパント含有濃度を高めるのではなく、表層部だけ選択的に高濃度化するので、ドーパント含有濃度が過剰となることによる前述の素子ライフ低下や、多数キャリアによる光の散乱損失といった問題も生じにくい。特に、電流拡散層の層厚を２０μｍ以下に薄く設定する場合、高濃度ドーピング層を設けることの効果は大きい。
【００１９】
高濃度ドーピング層を形成することのメリットとしては、本発明のように電流拡散層をｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層といったｎ型半導体層として構成する場合に特に顕著である。すなわち、本発明においては、ＨＶＰＥ法により電流拡散層を成長するので、残留するＣがｐ型ドーパントとして振舞う量が少なく、元からＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントの添加量を削減することができる。その結果、素子ライフ低下等を生ずる限界量までのｎ型ドーパントの濃度マージンが大きく、高濃度ドーピング層を形成しても素子ライフ等に与える影響を本質的に小さく留めることができる。なお、電流拡散層にハイドライド気相成長法により形成されたＨＶＰＥ層部を形成する場合、該ＨＶＰＥ層部は、発光層部に近い主表面側においてｎ型ドーパント含有濃度を、ｎ型クラッド層のｎ型ドーパント含有濃度よりも低く設定しておくと、素子ライフの低下抑制を一層効果的に図ることができる。
【００２０】
具体的には、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上としたｎ型半導体層として形成される電流拡散層におけるドーパントのキャリア濃度について、高濃度ドーピング層においては、１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下となっていることが望ましい。高濃度ドーピング層のｎ型ドーパントのキャリア濃度が１×１０１８／ｃｍ３未満では、高濃度ドーピング層の面内方向の電流拡散促進効果に乏しくなり、５×１０１９／ｃｍ３を超えると、合金化により結晶性が損なわれる懸念が生ずる。また、高濃度ドーピング層の厚さは１μｍ以上４μｍ以下に調整することが望ましい。厚さが１μｍ未満では面内方向電流拡散の促進効果に乏しく、４μｍを超えると電流拡散層全体に占める高濃度ドーピング層の厚さ比率が大きくなりすぎ、同様に、合金化により結晶性が損なわれ素子ライフや発光強度の低下を招く惧れがある。
【００２１】
一方、電流拡散層内の、高濃度ドーピング層以外の残余の部分においては、ｎ型ドーパントのキャリア濃度が１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３以下となっていることが望ましい。該部分のｎ型ドーパントのキャリア濃度が１×１０１７／ｃｍ３未満では、該部分の直列抵抗が増大し、発光効率の低下を招く。他方、１×１０１８／ｃｍ３を超えると、該部分から発光層部側へｎ型ドーパントが多く拡散し、発光性能の低下等を生ずる場合がある。すなわち、電流拡散層を、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上としたｎ型半導体層として形成するとき、そのドーパントのキャリア濃度が、高濃度ドーピング層において１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下とし、高濃度ドーピング層以外の残余の部分において１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３以下とするのが望ましい。
【００２２】
なお、電流拡散層はＧａＰにて構成すれば、ＧａＰは比較的広いバンドギャップを有しているので、発光層部から発光波長の短い光が放出されている場合でも光吸収を起しにくい。従って、光取出し効率を確保する上で有利であり、また、光吸収抑制を考慮したときの発光層部の材料選択幅も広げられる利点がある。
【００２３】
一方、ＧａＡｓを配合したＧａＡｓ１−ａＰａにより電流拡散層を構成すると、以下のような利点が生ずる。ＧａＡｓは、ＧａＰに比べて成長温度が低く、電流拡散層を形成する際に、ｎ型ドーパントが発光層部側に過度に拡散したり、あるいは発光層部内のドーパントの拡散による分布変化、特に、ダブルへテロ構造におけるクラッド層から活性層へのドーパントの拡散により、発光性能が低下したりする不具合を効果的に抑制することが可能となる。なお、この目的にてＧａＡｓ１−ａＰａを採用する場合は、所望の発光波長に相当するバンドギャップより大きくなるように、ＧａＰの混晶比ａが０．５以上０．９以下の範囲で設定することが望ましい。ＧａＰの混晶比ａが０．９を超えると、ＧａＡｓの混晶比が小さくなりすぎ、ＨＶＰＥ法により成長する際の成長温度が高くなってドーパントの拡散抑制効果が十分に得られなくなる場合がある。一方、ＧａＰの混晶比ａが０．５未満では、ＧａＡｓの混晶比が高くなり、バンドギャップが縮小して光吸収が生じやすくなる場合がある。
【００２４】
また、電流拡散層の電極形成部分を、それ以外の部分よりもＧａＡｓ混晶比１−ａが大きい高ＧａＡｓ混晶比ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ＜１）層とし、当該高ＧａＡｓ混晶比ＧａＡｓ１−ａＰａ層に、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上をｎ型ドーパントのドーパント源とする高濃度ドーピング層を形成すると、該ドーパントの過度の拡散を抑制することが可能となり、ひいては、高濃度ドーピング層に対して電流拡散層表層部での電流の面内拡散効果をさらに効果的に付与することができる。高ＧａＡｓ混晶比ＧａＡｓ１−ａＰａ層は高濃度ドーピング層よりも少し（０．５μｍから２μｍ程度）厚く形成するのがよく、高濃度ドーピング層を例えば１μｍ以上４μｍ以下にて形成する場合、高ＧａＡｓ混晶比ＧａＡｓ１−ａＰａ層は２μｍ以上５μｍ以下にて形成するとよい。
【００２５】
本発明において、電流拡散層は、その全体をＨＶＰＥ法にて形成することを排除しない。しかし、電流拡散層と、発光層部の該電流拡散層と接する部分とが、格子定数の互いに異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて構成される場合、その格子定数差がある程度大きい場合は、発光層部上に直接ＨＶＰＥ法により電流拡散層を形成すると、電流拡散層の結晶性が低下し、発光性能の低下を招くおそれがある。そこで、このような場合、電流拡散層は、発光層部と接する部分を有機金属気相成長法により形成されるＭＯ層部とし、それ以外の部分をハイドライド気相成長法により形成されるＨＶＰＥ層部とすれば、電流拡散層の結晶性が向上し、ひいては発光特性の良好な発光素子が得られる。すなわち、電流拡散層と、発光層部の該電流拡散層と接する部分とが、格子定数の互いに異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて構成されるとき、電流拡散層を、発光層部と接する部分を有機金属気相成長法により形成されるＭＯ層部とし、それ以外の部分をハイドライド気相成長法により形成されるＨＶＰＥ層部とするのが望ましい。
【００２６】
次に、本発明の発光素子においては、電流拡散層内に、該電流拡散層とは導電型の異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる電流阻止層を埋設形成することができる。そこで、本発明の製造方法においては、電流拡散層内に、該電流拡散層とは導電型の異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる電流阻止層を埋設形成する電流阻止層形成工程を含み、電流拡散層の、発光層部とは反対側の電極側において該電流阻止層を覆う部分を少なくとも、第二の気相成長工程により形成することを特徴とする。電極は遮光体として作用するため、この電極に素子駆動のための電圧を印加した場合、素子内の電流密度は電極直下付近で高く、光取出領域となる電極の周囲領域では低くなることにより、光取出効率が低下しやすくなる。そこで、上記のような電流阻止層を、例えば電極の電極直下位置において電流拡散層中に埋設形成すれば、電流阻止層により電流に電極領域外への迂回が生じ、光取出効率を高めることができる。なお、本明細書において電流阻止層は、電流拡散層に属さないものとして考える。
【００２７】
この場合、該電流阻止層を埋設形成する電流阻止層形成工程が必要となる。そして、本発明においては、電流拡散層内の、電極側において該電流阻止層を覆う部分を少なくとも、第二の気相成長工程（つまり、ＨＶＰＥ法）により形成する。電流阻止層を埋設形成する際に、電流阻止層を覆う電流拡散層部分をＭＯＶＰＥ法やＬＰＥ法で形成すると、最終的な電流拡散層の表面に、電流阻止層の形状がパターンダレした大きな段差が結晶欠陥を伴なって生じやすい問題がある。このような段差や結晶欠陥は、電極との導通不良を招いたり、あるいは画像処理を用いて電極にワイヤを自動ボンディングする際には、画像の誤検出要因となって、ワイヤボンディングを形成する工程での能率及び歩留まり低下を招く場合がある。しかし、ＨＶＰＥ法で電流阻止層を覆う電流拡散層部分を形成すると、そのような段差や結晶欠陥がほとんど生じず、表面の平滑な電流拡散層が得られ、上記のような不具合が生じにくい。
【００２８】
電流阻止層形成工程は、具体的には以下のような工程を含むものとして実施することができる。
▲１▼第三の気相成長工程：発光層部の上に、電流拡散層の一部をなす第一導電型（つまりｎ型）のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる第一層と、電流阻止層をなす第二の導電型（つまりｐ型）のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる第二層とを有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）により順次形成する。
▲２▼エッチング工程：得られた第二導電型（ｐ型）の化合物半導体層を、電流阻止層となるべき部分を残して残余の部分をエッチング除去する。
そして、第二の気相成長工程は、第一層と同一導電型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第三層を、第二層のエッチング後の残余部分をくるむようにハイドライド気相成長法（ＨＶＰＥ法）により形成する。
【００２９】
第一層は、電流拡散層の、電流阻止層に対する下地となる部分をなすものであり、第二層は電流阻止層をなす部分である。上記方法によると、第一層及び第二層を形成する第三の気相成長工程を、発光層部の形成される第一の気相成長工程に続く形で、同じＭＯＶＰＥ法により実施できるので能率的である。これら第一の気相成長工程及び第三の気相成長工程を同一の成長容器内で基板を容器外に取り出さずに連続的に行なうと、特に効果が大きい。
【００３０】
この場合、第三の気相成長工程が終了すると、基板を容器外に取り出して、ＨＶＰＥ法により第二の気相成長工程を行なうための容器に移し替える必要がある。このとき、第一層及び第二層は容器外の雰囲気にさらされるので、酸化の影響が問題になる場合がある。また、後述のように第二層を化学エッチングする場合は、そのエッチング時に受ける酸化も考慮する必要がある。この観点においては、第一層及び第二層を、いずれも、酸化されやすい元素であるＡｌ（アルミニウム）を含有しないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により形成するとよい。具体的には、第一層、第二層及び第三層をいずれもＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１：発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きい）により形成することができる。これは、第三層をＨＶＰＥ法にて形成する際に、ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）が最も成長が容易で高品質のものが得られるためであり、ＭＯＶＰＥにより形成される第二層も、これに合わせ込む形でＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）を採用する。また、第一層を同じＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１：発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きい）とすることにより、第三の気相成長工程において、ＭＯＶＰＥ法により第一層を形成後、第二層の形成に移行する際に原料ガスの切り替えが不要となり、製造が容易となる。なお、各層のＧａＰ混晶比ａを同じに設定しておくと、製造がより容易となる。また、不要なバンド端不連続も生じないので、それによる発光性能の低下等も懸念する必要がなくなる。
【００３１】
なお、第二層と第一層とは、同じＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）であっても導電型は反対とされる。第三層を、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上をｎ型ドーパントとするｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層とする場合、第二層はＺｎ（亜鉛）やＭｇ（マグネシウム）等をドーパントとするｐ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層とする。なお、この場合の電流拡散層は、ＭＯＶＰＥ法による第一層と、ＨＶＰＥ法による第三層とでｎ型ドーパントの種別を異ならせてもよい。
【００３２】
上記第一層と接触する第三層には、高濃度ドーピング層を形成することが電流拡散効果を高める上でより有利である。第三層の高濃度ドーピング層以外の部分、つまり、第一層と接する部分のドーパント含有濃度を、１×１０１７／ｃｍ３以上２×１０１８／ｃｍ３以下に十分に低く設定しておくと、高濃度ドーピング層からのＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントの拡散の影響が第三層を経て発光層部に及ぶ不具合を効果的に抑制することができる。
【００３３】
次に、エッチング工程において、第二層をエッチングする方法としては、気相エッチングを行なってもよいが、エッチング液を用いた化学エッチングが簡便で、能率もよいので本発明に好適に採用できる。この化学エッチングは、第二層に対するエッチング活性が、第一層に対するエッチング活性よりも高く、第二層のみを選択的にエッチングできるものを使用することが好ましい。しかし、第一層と第二層とが同一材質の化合物半導体よりなる場合、第一層と第二層とに対して顕著なエッチング活性差を有したエッチング液を得ることは容易ではなく、例えばやむを得ずエッチング活性差の小さい液を用いてエッチングを行なうと、選択エッチング能力が不足して、第一層にまでエッチングの影響が大きく及んでしまう不具合を生ずる。
【００３４】
このような場合、第一層と第二層との間に、両層のいずれとも材質の異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第四層を介挿形成し、エッチング工程において、第四層をエッチストップ層として第二層を第一のエッチング液により化学的に選択エッチングすることが有効である。つまり、第二層とは材質の相違する第四層を、該第二層の下地として形成しておけば、材質が同じである第一層と第二層とに対しては適当なエッチング液が見つからなくても、材質が相違する第二層と第四層とであれば、適当な選択エッチング性を有したエッチング液を容易に見出すことができる。そして、このようなエッチング液を第一のエッチング液として用いることにより、エッチング工程においては該第四層がエッチストップ層として作用し、第二層を容易に選択エッチングできる。また、この第四層は、第二層の電流阻止層として残る部分の直下はエッチングされずに残留するが、その残留部分は電流阻止層により電流が遮られる部分に生ずるので、発光特性等には何ら影響しない。
【００３５】
この第四層は、Ａｌを含有しないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて形成することが望ましい。すなわち、第二層を第一のエッチング液により選択エッチングする際に、エッチストップ層となる第四層にＡｌが含有されていると、エッチング液とＡｌとが反応して絶縁性のＡｌ酸化層が形成される場合がある。後述の通り、第四層の露出部分を第二のエッチング液によりエッチング除去して第三層の形成を行なう場合は、Ａｌ酸化層はそのエッチングの妨げとなる。また、第四層を残して第三層を形成すると、Ａｌ酸化層により直列抵抗が増加する上、第三層の第四層上へのエピタキシャル成長が妨げられる場合がある。いずれも、発光特性の低下につながる。
【００３６】
例えば、第二層をｐ型ＡｌｄＧａ１−ｄＰ（０＜ｄ≦１）又はｐ型（ＡｌｂＧａ１−ｂ）ｃＩｎ１−ｃＰ（０＜ｂ≦１；０≦ｃ≦０．５）にて形成する場合は、第一層をｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）にて形成し、第二層に対するエッチング液として、例えば塩酸を用いる。すると、特に第四層を設けなくとも第二層を第一層に対して問題なく選択エッチングできる。しかし、第二層に含まれるＡｌの酸化が問題となる場合は、第二層もｐ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）にて形成することが有効である。この場合は、第二層を化学エッチングにより選択エッチングすることが難しくなるので、例えば第二層よりもＧａＰの混晶比が大きいＧａＡｓ１−ｂＰｂ（ａ＜ｂ≦１）にて形成された第四層を介挿すると、第二層と第四層との間には選択エッチング性を付与しやすくなる。特に、第二層と第一層とがＧａＡｓ１−ａＰａ（０．５≦ａ≦０．９）からなり、第四層がＧａＰとされている場合、第四層によるエッチストップ効果が顕著である。この場合、第一のエッチング液としては、一例として硫酸あるいは硫酸と過酸化水素水との混合液を使用することにより、第四層をエッチストップ層とした第二層の選択エッチングを効果的に行なうことができる。
【００３７】
第四層の厚みは１ｎｍ以上１００ｎｍ以下に調整することが望ましい。該厚みが１ｎｍ未満ではエッチストップ効果が十分に得られず、１００ｎｍより厚く形成することは、エッチストップ効果が飽和して不経済である。
【００３８】
例えば、第四層をエッチストップ層として第二層の外側を第一のエッチング液により化学的に選択エッチングした後、当該第二層の外側に露出している第四層を、第一層をエッチストップ層として第二のエッチング液により化学的に選択エッチングして第一層を露出させ、その後、第二の気相成長工程により第三層を第一層の外側と接するように形成することができる。このようにすると、電流阻止層として残った第二層の周囲において、電流拡散層をなす第一層と第三層との間に、不要な第四層が残留せず、該第四層による光吸収等の問題も生じにくい。なお、第四層の厚さを１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下の小さな範囲に設定すれば、第四層による光吸収等の影響はほとんど生じないので、第二層の外側に露出している第四層をエッチングせずに第三層を形成することも可能である。
【００３９】
発光層部は、２種以上のＩＩＩ族元素を含む（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０＜ｙ≦１）にて構成されるｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層が、発光層部に発光駆動電圧を印加するための電極側からこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有するものとして形成できる。活性層の両側に形成されるクラッド層とのバンドギャップ差に起因したエネルギー障壁により、注入されたホールと電子とが狭い活性層中に閉じ込められて効率よく再結合するので、非常に高い発光効率を実現できる。さらに、活性層の組成調整により、広範囲の発光波長を実現することができる。
【００４０】
次に、本発明の製造方法においては、オフアングルを有する単結晶基板を用いることができる。本明細書において、「オフアングルを有する」とは、化合物半導体層が積層される単結晶基板の結晶主軸が、＜１００＞または＜１１１＞等に定められた基準方向に対し一定の角度傾けてあることをいう。
【００４１】
２種以上のＩＩＩ族元素を含む混晶化合物半導体からなる発光層部、例えば（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰからなる発光層部は、単結晶基板としてオフアングルを有さないものを使用したとき、ＩＩＩ族原子（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）の規則化や分布の偏りにより、バンドギャップエネルギーが小さくなる側にシフトしやすく、結果として発光波長が短波長側にばらつきやすくなる問題がある。例えば、これを解消するためにはバンドギャップエネルギーの高いＡｌＰの混晶比を大きくして、発光波長のずれを補償する方法が考えられる。しかし、ＡｌＰの混晶比を高めることは、間接遷移成分が増える方向にバンド構造が変化するので、発光強度の低下を招く場合がある。従って、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰなどの２種以上のＩＩＩ族元素を含む混晶化合物半導体により発光層部を構成する場合、オフアングルを有する単結晶基板を使用すれば、発光光束のスペクトルプロファイルや中心波長のバラツキが効果的に抑制された発光層部を容易に得ることができる。その理由は、適度なオフアングルを単結晶基板に付与しておくことで、上記のようなＩＩＩ族元素の規則化や偏りが大幅に軽減されるためであると考えられる。
【００４２】
また、ＭＯＶＰＥ法により成長した混晶発光層部の上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる電流拡散層をＨＶＰＥ法により形成すると、ＭＯＶＰＥ法やＬＰＥ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法により電流拡散層を形成する場合と異なり、最終的に得られる電流拡散層の表面に、単結晶基板のオフアングルに由来したファセットや面荒れがほとんど生じず、ひいては平滑性の良好な電流拡散層が得られる。そして、電流拡散層の表面が平滑化されると、電流拡散層上に形成される電極との密着性も良好となる。また、その電極にワイヤを、画像処理を用いて自動ボンディングする際に、面荒れによる画像の誤検出が軽減され、ひいてはワイヤボンディング工程での能率向上や、歩留まり改善にも寄与する。
【００４３】
（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰにて発光層部を構成する場合、単結晶基板は、＜１００＞方向又は＜１１１＞方向を基準方向として、該基準方向に対するオフアングルが１゜以上２５゜以下の主軸を有するＧａＡｓ単結晶基板とすることができる。オフアングルが１゜未満では既に説明した発光特性（発光スペクトルプロファイルや中心波長）のバラツキ抑制効果に乏しくなり、２５゜を超えると発光層部の正常な成長が不能となる場合がある。該効果は、特に＜１００＞方向を基準方向としてオフアングルが上記の主軸を有するＧａＡｓ単結晶基板を用いた場合に、特に顕著である。
【００４４】
単結晶基板は、オフアングルが１０°以上２０°以下の主軸を有するＧａＡｓ単結晶基板とすることがより望ましい。このような高角度のオフアングルを有するＧａＡｓ単結晶を用いると、ＨＶＰＥによる第二の気相成長工程にて最終的に得られる電流拡散層の表面を平滑化する効果が一層高められる。本発明者らが検討したところ、オフアングルの１゜以上１０°未満の単結晶基板を用いると、ＨＶＰＥにて得られる電流拡散層の表面においては、ファセット的な振幅の小さい一様な凹凸の形成は効果的に防止されるものの、振幅の大きな突起状の結晶欠陥が残留することがあり、ワイヤボンディング工程等における誤検出等の不具合を招くこともあった。しかし、オフアングルを１０°以上２０°以下の範囲に大きくすると、こうした突起状の結晶欠陥発生を効果的に抑制できる。
【００４５】
また、突起状の結晶欠陥発生防止も含め、平滑で良好な表面状態の電流拡散層を得るには、ＨＶＰＥ法による電流拡散層の成長温度を適正化することも、工程上考慮すべき重要なポイントである。単結晶基板のオフアングルを１０°以上２０°以下の範囲に設定すると、そのような電流拡散層の適正な成長温度範囲を低温側に引き下げることができるのも、重要な効果の一つである。電流拡散層の成長温度を低温化できれば、該電流拡散層の下地をなす発光層部に加わる、電流拡散層成長時の熱履歴を和らげることができ、発光層部のｐ−ｎ接合をなすドーパントプロファイルの拡散劣化が生じにくい。特にダブルへテロ構造の発光層部の場合は、発光再結合の効率を高めるため、活性層のドーパント濃度はなるべく低くしたい要請がある。従って、電流拡散層の成長温度の低温化により、クラッド層側から活性層側へのドーパント拡散を抑制することにより、発光素子の内部量子効率を高めることができ、発光性能を大幅に改善することができる。また、成長温度の低減により、上記ドーパントプロファイルを良好に維持したまま電流拡散層の層厚を増やすことができるので、該電流拡散層を特に５０μｍ以上に厚膜化したときの発光強度の向上効果がとりわけ著しくなる利点もある。
【００４６】
オフアングルが１０°未満となるか、又はオフアングルが２０°を超えると、突起状の結晶欠陥発生防止効果及び電流拡散層の適正成長温度の低温化効果が不十分となる場合がある。オフアングルはより望ましくは１３°以上１７°以下に設定するのがよい。
【００４７】
この場合、第二の気相成長工程において、ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）からなる上記の電流拡散層をハイドライド気相成長法により成長する場合、該成長温度を６４０℃以上７５０℃以下の温度に設定することが望ましい。成長温度が６４０℃未満では電流拡散層の表面の平滑化効果、特に突起状の結晶欠陥の発生抑制効果が十分に得られなくなる。また、７５０℃より高温では、発光層部のドーパントプロファイルの拡散劣化防止効果が十分に達成できなくなる。なお、上記成長温度は、より望ましくは６８０℃以上７２０℃以下（特にオフアングルが１３°以上１７°以下の場合）に設定するのがよい。また、このような温度設定により、電流拡散層を５０μｍ以上（２００μｍ以下）に厚膜化させたときの、発光強度向上効果が特に著しくなる。
【００４８】
次に、本発明の発光素子の第二の構成は、
単結晶基板上へのエピタキシャル成長により形成した、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と電流拡散層と、発光層部に発光駆動電圧を印加するための電極とを有する発光素子において、
発光層部は、２種以上のＩＩＩ族元素を含む（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０＜ｙ≦１）にて構成されるｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層が、電極側からこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有し、かつ、ｎ型クラッド層がＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上をドーパントとするｎ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰにて構成され、
電流拡散層は、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とし、かつ、前記発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きいｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層として形成され、さらに、
電流拡散層中のＣ濃度が、前記ｎ型クラッド層のＣ濃度よりも小さくされてなることを特徴とする。
【００４９】
（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰのダブルへテロ構造を用いて発光層部を構成した発光素子において、本発明のようにｎ型クラッド層側を光取出し側として、ここに電流拡散層を設ける場合、この電流拡散層は、従来ＭＯＶＰＥ法にて形成されていたためＨやＣの残留量が多く、残留したＣがｐ型ドーパントとして寄与した分を補償するために、ｎ型クラッド層よりもｎ型ドーパントの含有濃度を相当高く設定していた。そして、この過剰なドーパント添加により、素子ライフが短くなる不具合を生ずることは、既に説明した通りである。
【００５０】
上記本発明の発光素子の第二の構成においては、電流拡散層を、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上としたｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層として形成するとともに、電流拡散層中のＣ濃度を、ｎ型クラッド層のＣ濃度よりも小さく設定する。このようなＣ濃度の大小関係は、電流拡散層をＨＶＰＥ法により成長することで容易に実現できる。その結果、電流拡散層中のＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントの含有濃度をｎ型クラッド層のものより低く設定しても、ｐ型ドーパントとして振舞うＣの量が少ないので、十分な導電性を確保することができる。そして、電流拡散層中のｎ型ドーパントの含有濃度を低くできる結果、素子ライフの向上を図ることができる。
【００５１】
発光層部を上記のように（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０＜ｙ≦１）にて構成する場合、電流拡散層をｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１：発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きい）層とし、かつ該電流拡散層の発光層部と接する部分を有機金属気相成長法によるＭＯ層部として形成し、それ以外の部分をハイドライド気相成長法によるＨＶＰＥ層部として形成すればよい。発光層部をなす（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰと、電流拡散層をなすｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）とは、格子定数の開きが大きくなりやすいが、前述のように、電流拡散層の発光層部と接する部分をまず有機金属気相成長法により形成し、ＨＶＰＥ法により電流拡散層の残余部分を形成すれば、電流拡散層の結晶性が向上する。
【００５２】
本発明の発光素子の第一においては、電流拡散層のハイドライド気相成長法により形成された部分のＣ濃度を７×１０１７／ｃｍ３以下とすることができる。また、電流拡散層と、発光層部の該電流拡散層と接する部分とが、格子定数の互いに異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて構成され、電流拡散層は、発光層部と接する部分が有機金属気相成長法によるＭＯ層部として形成され、それ以外の部分がハイドライド気相成長法によるＨＶＰＥ層部として形成されたものとすることができる。
【００５３】
本発明の発光素子の第二は、電流拡散層の発光層部と接する部分が有機金属気相成長法によるＭＯ層部として形成され、それ以外の部分がハイドライド気相成長法によるＨＶＰＥ層部として形成されたものとすることができる。
【００５４】
また、本発明の発光素子の第一及び第二は、電流拡散層の形成厚さを５μｍ以上２０μｍ以下とすることができる。電流拡散層の電極を形成する側の主表面を含む表層部には、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるドーパントのキャリア濃度が電流拡散層内の残余の部分よりも高くされた、高濃度ドーピング層を形成することができる。電流拡散層は、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上としたｎ型半導体層として形成することができ、ドーパントのキャリア濃度を、高濃度ドーピング層において１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下、残余の部分において１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３以下とすることができる。さらに、電流拡散層において、電極形成側部分を、それ以外の部分よりもＧａＡｓ混晶比１−ａが大きい高ＧａＡｓ混晶比ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ＜１）層とし、当該高ＧａＡｓ混晶比ＧａＡｓ１−ａＰａ層に、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とする高濃度ドーピング層を形成することができる。
【００５５】
また、発光層部及び電流拡散層のエピタキシャル成長に使用する単結晶基板は、敢えて除去せず素子内に残した構造としてもよいし、ＧａＡｓ等の光吸収性の基板である場合は、発光層部及び電流拡散層のエピタキシャル成長後に該単結晶基板を除去した構造としてもよい。単結晶基板を除去しない場合の本発明の発光素子の製造方法は以下の通りである：
単結晶基板上に、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と電流拡散層と、発光層部に発光駆動電圧を印加するための電極とを、この順序で形成した発光素子の製造方法において、
単結晶基板上に発光層部を有機金属気相成長法により形成する第一の気相成長工程と、
該第一の気相成長工程の後に、有機金属気相成長法とは異なるハイドライド気相成長法により、電流拡散層をｎ型半導体層として形成する第二の気相成長工程と
を有することを特徴とする。
【００５６】
同じく本発明の発光素子の第一の構成は以下の通りである：
単結晶基板上に、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と電流拡散層とを形成した発光素子において、
単結晶基板上に、発光層部が有機金属気相成長法により形成されてなり、
該発光層部の上に、電流拡散層が前記有機金属気相成長法とは異なるハイドライド気相成長法を用いてｎ型半導体層として形成されてなることを特徴とする。
【００５７】
また、第二の構成は以下の通りである：
単結晶基板上に、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と電流拡散層と、発光層部に発光駆動電圧を印加するための電極とをこの順序で形成した発光素子において、
発光層部は、２種以上のＩＩＩ族元素を含む（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０＜ｙ≦１）にて構成されるｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層が、電極側からこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有し、かつ、ｎ型クラッド層がＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上をドーパントとするｎ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰにて構成され、電流拡散層は、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とし、かつ、発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きいｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層として形成され、さらに、
電流拡散層中のＣ濃度が、ｎ型クラッド層のＣ濃度よりも小さくされてなることを特徴とする。
【００５８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である発光素子１００を示す概念図である。発光素子１００は、ｐ型ＧａＡｓ単結晶基板（以下、単に基板という）１の第一主表面上に素子本体部が形成されている。この基板１の第一主表面ＭＰ１と接するようにｐ型ＧａＡｓバッファ層２が形成され、該バッファ層２上に発光層部２４が形成される。そして、その発光層部２４の上に電流拡散層７が形成され、その電流拡散層７の上に、発光層部２４に発光駆動電圧を印加するための第一電極９が形成されている。また、基板１の第二主表面ＭＰ２側には、同じく第二電極２０が全面に形成されている。第一電極９は、第一主表面ＰＦの略中央に形成され、該第一電極９の周囲の領域が発光層部２４からの光取出領域とされている。また、第一電極９の中央部に電極ワイヤ１７を接合するためのＡｕ等にて構成されたボンディングパッド１６が配置されている。
【００５９】
発光層部２４は、ノンドープ（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦０．５５，０．４５≦ｙ≦０．５５）混晶からなる活性層５を、ｎ型（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｎ型クラッド層６とｐ型（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｐ型クラッド層４とにより挟んだ構造を有する。また、第一電極９側にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６が配置されており、第二電極２０側にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が配置されている。従って、通電極性は第一電極９側が負である。なお、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有（例えば１０１３〜１０１６／ｃｍ３程度を上限とする）をも排除するものではない。
【００６０】
電流拡散層７は、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上としたｎ型ＧａＰ層として形成されている。また、電流拡散層７中のＣの含有濃度及び、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントの含有濃度は、それぞれ、ｎ型クラッド層６の含有濃度よりも小さくされてなる。さらに、電流拡散層７には、第一電極９に対応する位置に、ｐ型ＡｌｄＧａ１−ｄＰ（例えばｄ＝０．２）よりなる電流阻止層１０が埋設形成されている。電流拡散層７の形成厚さｔ１は、例えば５μｍ以上２０μｍ以下（一例として、１０μｍ）である。また、電流阻止層１０の厚さは０．０５μｍ以上１μｍ以下（例えば０．１μｍ）である。
【００６１】
電流拡散層７の第一電極９を形成する側の主表面を含む表層部には、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントの含有濃度が電流拡散層７内の残余の部分よりも高くされた、高濃度ドーピング層８が形成されている。電流拡散層７のＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントのキャリア濃度は、高濃度ドーピング層８において１×１０１ ８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下（例えば、１×１０１９／ｃｍ３）であり、高濃度ドーピング層８以外の部分において１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３以下（例えば、８×１０１７／ｃｍ３）とされている。
【００６２】
高濃度ドーピング層８の厚さｔ２は１μｍ以上４μｍ以下（例えば３μｍ）である。高濃度ドーピング層８の厚さｔ２は、ドーパントが最も高濃度となる電流拡散層表層部のｎ型ドーパント含有濃度をＮｍａｘとし、他方、電流拡散層７の拡散の影響を受けていない部分でのｎ型ドーパント含有濃度をＮｍｉｎとしたとき、層厚方向において略（Ｎｍａｘ＋Ｎｍｉｎ）／２となる位置を、高濃度ドーピング層８と残余の部分との境界位置として定めることにより特定される。なお、各層中のドーパント含有濃度及びＣ濃度は、二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＳＩＭＳ）により測定されたものをいう。また、キャリア濃度は周知の導電率測定により特定可能である。
【００６３】
電流拡散層７のうち、ｎ型クラッド層６と電流阻止層１０との間に位置する部分は、ＭＯＶＰＥ法により形成された第一層７ａである。また、電流阻止層１０に関して第一層７ａの反対側には、該第一層７ａとともに電流阻止層１０をくるむように覆う形で、電流拡散層７の要部をなす第三層７ｂが形成されている。この第三層７ｂは、後述するＨＶＰＥ法により形成されたものであり、第一電極９側の表層部がＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントにより前述の高濃度ドーピング層８とされている。
【００６４】
電流拡散層７中のＣ濃度は、ＨＶＰＥ法の採用により、ＭＯＶＰＥ法によるｎ型クラッド層６のＣ濃度（通常、１５×１０１７／ｃｍ３程度）よりも小さく設定できる。具体的には、電流拡散層のハイドライド気相成長法により形成された部分のＣ濃度を７×１０１７／ｃｍ３以下とすることができる。本実施形態では、電流拡散層７のうち第一層７ａだけはＭＯＶＰＥ法により形成され、この部分のＣ濃度は多少高くなる。しかし、第三層７ｂのＣ濃度は７×１０１７／ｃｍ３以下であり、通常、２×１０１７以下である。第一層７ａの厚さは第三層７ｂの厚さよりもはるかに小さいので、いずれにしても、電流拡散層７中のＣ濃度はｐ型クラッド層６のＣ濃度よりも十分に低い値となる。そして、電流拡散層７の要部をなす第三層７ｂのうち、高濃度ドーピング層８を除いた部分は、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントの含有濃度をｎ型クラッド層６の含有濃度よりも低く設定しても、ｐ型ドーパントとして振舞うＣの量が少ないので、十分な導電性を確保することができる。その結果、素子ライフの向上を図ることができる。
【００６５】
また、電流拡散層７は、面内方向の電流拡散が主に高濃度ドーピング層８にて進む。そして、電流拡散層７における高濃度ドーピング層８以外の内層部分は、ドーパントによるキャリア濃度が低く面内方向の抵抗率が高いので、電流は該内層部分に入ると面内方向への再拡散が生じにくく、電極９の外側領域に迂回しつつ流れやすくなる。その結果、光取出し効率が向上する。
【００６６】
なお、本実施形態では、第一層７ａと第三層７ｂとを同じ化合物半導体（具体的にはＧａＰ）により形成しているが、互いに異なる化合物半導体にて形成することもできる（例えば、第一層７ａをｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きい）とし、第三層７ｂをｎ型ＧａＰとする）。また、第一層７ａと第三層７ｂとはいずれもｎ型ドーパントが添加される。このｎ型ドーパントの種類を、第一層７ａと第三層７ｂとで異なるものとしてもよい。
【００６７】
以下、図１の発光素子１００の製造方法について説明する。
まず、図２の工程▲１▼に示すように、ｐ型ＧａＡｓ単結晶基板１を用意する。そして、工程▲２▼に示すように、その基板１の第一主表面ＭＰ１に、ｐ型ＧａＡｓバッファ層２を例えば０．５μｍ、次いで、発光層部２４として、各々（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰよりなる、１μｍのｐ型クラッド層４（ｐ型ドーパントはＺｎやＭｇ：有機金属分子からのＣもｐ型ドーパントとして寄与しうる）、０．６μｍの活性層（ノンドープ）５、及び１μｍのｎ型クラッド層６（ｎ型ドーパントはＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上）を、この順序にてエピタキシャル成長させる（第一の気相成長工程）。これら各層のエピタキシャル成長は、公知のＭＯＶＰＥ法により行なわれる。Ａｌ、Ｇａ（ガリウム）、Ｉｎ（インジウム）、Ｐ（リン）の各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる；
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など；
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など；
・Ｉｎ源ガス；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など。
・Ｐ源ガス：トリメチルリン（ＴＭＰ）、トリエチルリン（ＴＥＰ）、ホスフィン（ＰＨ３）など。
【００６８】
次に、図３の工程▲３▼では、上記第一の気相成長工程の反応容器内にて引き続き、すでに形成された発光層部２４の上に、ｎ型ＧａＰからなる第一層７ａ（ＭＯ層部である）と、電流阻止層をなすｐ型ＡｌｄＧａ１−ｄＰ（例えばｄ＝０．２）からなる第二層１０’とをＭＯＶＰＥ法により順次形成する。次に、第二層１０’の、電流阻止層１０として残す部分の表面を、フォトレジスト層３０にて覆う。そして、工程▲４▼に進み、塩酸からなる第一のエッチング液によりエッチングすると、第二層１０’の、フォトレジスト層３０にて覆われなかった部分が選択的にエッチングされる。エッチングが終了したら、洗浄後、フォトレジスト層３０を除去する。
【００６９】
図４の工程▲５▼に進み、ｎ型ＧａＰよりなる第三層７ｂ（ＨＶＰＥ層部である）を、ＨＶＰＥ法により、電流阻止層１０をくるむように成長させる（第二の気相成長工程）。ＨＶＰＥ法は、具体的には、容器内にてＩＩＩ族元素であるＧａを所定の温度に加熱保持しながら、そのＧａ上に塩化水素を導入することにより、下記（１）式の反応によりＧａＣｌを生成させ、キャリアガスであるＨ２ガスとともに基板上に供給する。
Ｇａ（液体）＋ＨＣｌ（気体） → ＧａＣｌ（気体）＋１／２Ｈ２‥‥（１）
ＧａＰの場合、成長温度は例えば６４０℃以上８６０℃以下に設定する。また、Ｖ族元素であるＰは、ＰＨ３をキャリアガスであるＨ２とともに基板上に供給する。さらに、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントは、それぞれＳｉＨ４、Ｈ２Ｓ、Ｈ２Ｓｅ、ＤＥＴｅの形で供給する。ＧａＣｌはＰＨ３との反応性に優れ、下記（２）式の反応により、Ｇａとの間で効率よく、電流拡散層７の要部をなす第三層７ｂを成長させることができる：
ＧａＣｌ（気体）＋ＰＨ３（気体）
→ＧａＰ（固体）＋ＨＣｌ（気体）＋Ｈ２（気体）‥‥（２）
【００７０】
なお、基板１は、＜１００＞方向を基準方向として、該基準方向に対するオフアングルが１゜以上２５゜以下の主軸Ａを有するものとすることができる（主軸Ａは、＜１１１＞方向を基準として同様のオフアングルを有するものであってもよい）。特に、オフアングルが１０°以上２０°以下（望ましくは１３°以上１７°以下）の主軸を有するＧａＡｓ単結晶基板を用いると、電流拡散層７の表面への振幅の大きな突起状の結晶欠陥の形成抑制に効果があり、また、平滑な表面状態を得るための、ＨＶＰＥ法による電流拡散層７の適正な成長温度を、６４０℃以上７５０℃以下（より望ましくは６８０℃以上７２０℃以下）に下げることができ、ｎ型クラッド層６及びｐ型クラッド層４から活性層５へのドーパント拡散を抑制することができ、ひいては発光層部２４のドーパントプロファイルの拡散劣化を抑制することができる。
【００７１】
上記第三層７ｂの成長が終了したら工程▲６▼に進み、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるｎ型ドーパントが高濃度に添加された高濃度ドーピング層８を形成する。
【００７２】
以上の工程が終了すれば、真空蒸着法により第一電極９及び第二電極２０を形成し、さらに第一電極９上にボンディングパッド１６を配置して、適当な温度で電極定着用のベーキングを施す。そして、第二電極２０をＡｇペースト等の導電性ペーストを用いて支持体を兼ねた図示しない端子電極に固着する一方、ボンディングパッド１６と別の端子電極とにまたがる形態でＡｕ製のワイヤ１７をボンディングし、さらに樹脂モールドを形成することにより、発光素子１００が得られる。なお、ワイヤ１７のボンディングは、カメラにより素子の第一表面を画像撮影し、周知の画像処理方法によりボンディングパッド１６領域を識別して、自動ボンディング装置にて行なう。
【００７３】
以下、発光素子１００の種々の変形例について説明する（図１の発光素子１００と同一構成部分には同一の符号を付与して詳細は省略し、相違点のみ説明する）。図５の発光素子２００は、電流阻止層１０を、電流拡散層７をなす第一層７ａ及び第三層７ｂと同じＧａＡｓＰ（ただし、導電型はｐ型）にて構成した例である。この場合は、図３の工程が、図６のように変更される。すなわち、工程▲７▼に示すように、ＧａＰからなる第四層１１’をエッチストップ層として形成し、工程▲８▼に示すように、電流阻止層１０となるＧａＡｓ１−ａＰａ（０．５≦ａ≦０．９）からなる第二層１０’を、例えば硫酸−過酸化水素水混合液を用いて選択エッチングする。さらに工程▲９▼においては、電流阻止層１０の周囲に露出している第四層１１’をエッチング除去する。電流阻止層１０の下側の第四層１１は残留する。以降の工程は、図４と同じである。
【００７４】
電流拡散層をＧａＡｓ１−ａＰａ（０．５≦ａ≦０．９）、電流阻止層をＡｌｄＧａ１−ｄＰ（例えばｄ＝０．２）にて構成する場合、ＨＶＰＥ法によるＧａＡｓ１−ａＰａ層（第三層７ｂ）の形成が、前記（２）式において、ＰＨ３とともにＡｓＨ３が併用され、成長温度が、６４０℃以上８３０℃以下とやや低めに設定される。
【００７５】
ＧａＡｓ１−ａＰａより電流拡散層を構成することで、上記のようにＨＶＰＥ法により成長する際の成長温度が低い。従って、発光層部側に、ｎ型のＧａＡｓ１−ａＰａからなる電流拡散層をＨＶＰＥ法により成長する際に、そのｎ型ドーパント（Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上）が発光層部側に過度に拡散したり、あるいは発光層部２４に含まれるｎ型クラッド層６内のｎ型ドーパントが活性層５内に拡散したりして、発光性能を低下させたりする不具合が、より生じにくい。
【００７６】
電流拡散層７を上記のようにＧａＡｓＰにて構成する場合、従来のＬＰＥ法を採用した場合は、ロット内あるいはロット間での組成のバラツキを生じやすい問題があったが、本発明のようにＨＶＰＥ法を採用すると、このような組成のバラツキがＬＰＥ法よりもはるかに生じにくくなる利点がある。
【００７７】
なお、図７の発光素子３００のように、第四層１１’の厚さが１ｎｍ以上５０ｎｍ以下の小さな値とされていれば、電流阻止層（第二層）１０の外側に露出している第四層１１’をエッチングせずに第三層７ｂを形成することができる。この場合、電流阻止層１０の外側においても、第一層７ａと第三層７ｂとの間には第四層１１’が介在形成された構造となる。第四層１１’を上記のように極薄く形成することで、バンド不連続等の影響も小さくなり、発光層部２４への通電も支障なく行なうことができる。当然、第四層１１’のエッチングを省略できるので、工程も簡便である。
【００７８】
また、図８の発光素子４００は、電流阻止層を省略した構成を示している。この場合も、まず電流拡散層７の発光層部２４と接する部分７ｐをＭＯＶＰＥ法によるＭＯ層部として形成し、電流拡散層７のそれ以外の部分をＨＶＰＥ法によるＨＶＰＥ層部として形成するとよい。
【００７９】
さらに、図９の発光素子５００は、、電流拡散層７の要部をｎ型ＧａＰにより形成し、電流拡散層７の電極形成側部分のみｎ型ＧａＡｓＰ層７ｓとして形成するとともに、そのＧａＡｓＰ層７ｓ内にＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上をドーパントとする高濃度ドーピング層８を形成した例である。ＨＶＰＥ法によると、電流拡散層７の成長途中で組成を変更すること（この場合、ＧａＰ→ＧａＡｓＰ）が、Ｖ族元素ガス（ＡｓＨ３及びＰＨ３）の配合比率の変更により、容易に行なうことができる。
【００８０】
以上のすべての実施形態においては、活性層５は上記実施形態では単一層として形成していたが、これを、バンドギャップエネルギーの異なる複数の化合物半導体層が積層されたもの、具体的には、量子井戸構造を有するものとして構成することもできる。量子井戸構造を有する活性層は、混晶比の調整によりバンドギャップが互いに相違する２層、すなわちバンドギャップエネルギーの小さい井戸層と大きい障壁層とを、各々電子の平均自由工程もしくはそれ以下の厚さ（一般に、１原子層〜数ｎｍ）となるように格子整合させる形で積層したものである。上記構造では、井戸層の電子（あるいはホール）のエネルギーが量子化されるため、例えば半導体レーザー等に適用した場合に、発振波長をエネルギー井戸層の幅や深さにより自由に調整でき、また、発振波長の安定化、発光効率の向上、さらには発振しきい電流密度の低減などに効果がある。さらに、井戸層と障壁層とは厚さが非常に小さいため、２〜３％程度までであれば格子定数のずれが許容され、発振波長領域の拡大も容易である。なお、量子井戸構造は、井戸層を複数有する多重量子井戸構造としてもよいし、井戸層を１層のみ有する単一量子井戸構造としてもいずれでもよい。なお、障壁層の厚さは、例えばクラッド層と接するもののみ５０ｎｍ程度とし、他は６ｎｍ程度とすることができる。また、井戸層は５ｎｍ程度とすることができる。
【００８１】
また、基板１の上に発光層部２４をバッファ層２を介して直接形成していたが、基板１と発光層部２４との間に、光取出し効率を向上させるために反射層を介挿してもよい。反射層としては、例えば、特開平７−６６４５５号公報に開示されているような、屈折率の相違する半導体膜を複数積層したものを利用することができる。
【００８２】
また、図１１の発光素子６００は、図１の発光素子１００のＧａＡｓ単結晶基板１をエッチング等により除去し、代わって反射用の金属層１０２（例えばＡｕ層あるいはＡｇ層である）を介して、導電性基板であるＳｉ基板（Ａｌ等の金属板でもよい）を貼り合わせたものである。金属層１０２と発光層部２４との間には、両者の接合抵抗を低減するためのコンタクト層１０２ｃ（本実施形態ではＡｕＧｅＮｉ層とされている）が分散形成されている。コンタクト層１０２ｃの非形成領域では、金属層１０２による反射効果が特に高い。また、図１２の発光素子７００は、図１の発光素子１００のＧａＡｓ単結晶基板１をエッチング等により除去し、代わって透明導電性基板であるＧａＰ基板１０３（本実施形態ではｐ型）を貼り合わせたものである。ＧａＰ基板１０３の側面１０３Ｓからの光取出が可能である。本実施形態では、ＧａＰ基板１０３の裏面にコンタクト層１２０ｃが分散形成され、該コンタクト層１２０ｃの非形成領域とともに、発光層部２４に発光駆動電圧を印加するための電極１２０（例えばＡｕ電極）により覆われている（電極１２０に換えてＡｇペースト層を形成してもよい）。図１１及び図１２のいずれの発光素子６００，７００においても、電流拡散層７はＧａＡｓＰにて構成することもできる。
【００８３】
図１３の発光素子８００は、素子基板を兼用した厚膜の電流拡散層９０を、発光層部２４（ｐ型クラッド層４、活性層５及びｎ型クラッド層６の積層順は、図１と逆である）の裏面側に成長させた例を示すものである。ここでは、電流拡散層９０を、ＨＶＰＥ法によるｎ型ＧａＰのエピタキシャル成長層としており、その厚さｔｂは５０μｍ以上２００μｍ以下（例えば１００μｍ）である。ＧａＰは発光層部２４からの発光光束に対して透明であり、その側面９０ｓからも光取出が可能となる。本実施形態においては、発光層部２４の該光取出面側（ｐ型クラッド層４側）に透光性を有するコンタクト用導電層９１が設けられ、電極９及びボンディングパッド１６が該コンタクト用導電層９１上に設けられている。このコンタクト用導電層９１は、例えばＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰなどで構成できるが、導電性酸化物で構成してもよい。
【００８４】
図１３の発光素子８００を製造する場合、図２の工程▲２▼を実施した後、発光層部２４のＧａＡｓ基板１と反対側（ｎ型クラッド層６側）の主表面上に、ＨＶＰＥ法により電流拡散層９０を直接厚膜成長させる。その後、ＧａＡｓ基板１を除去し、その除去された側（ｐ型クラッド層４側）の発光層部２４の主表面に、コンタクト用導電層９１を、ＨＶＰＥ法によりエピタキシャル成長することができる（例えば、コンタクト用導電層９１をＧａＰ、ＧａＡｓＰで構成する場合）。他方、コンタクト用導電層９１をＡｌＧａＡｓあるいはＡｌＧａＩｎＰ等で構成する場合のように、ＧａＡｓ基板１上にコンタクト用導電層９１をＭＯＶＰＥ法で成長しておき、さらに発光層部２４を成長した後、ＧａＡｓ基板１を除去するようにしてもよい。なお、ＡｌＧａＩｎＰにてコンタクト用導電層９１を形成する場合、発光層部側のクラッド層（図１３ではｐ型クラッド層４）をなすＡｌＧａＩｎＰと同じ混晶比としてもよいし、異なる混晶比としてもよい。同じ混晶比とする場合、クラッド層よりもドーパント濃度を高め、導電性を高めておくことが望ましい。また、異なる混晶比とする場合は、発光層部２４の活性層５よりもバンドギャップが大きくなる混晶比を採用することが、透光性を高める観点において望ましい。
【００８５】
なお、図１２の発光素子７００及び図１３の発光素子８００においては、ＧａＰ基板１０３ないし電流拡散層９０の裏面には、コンタクト層１２０ｃ（図１２では、ｐ型ＧａＰ基板１０３と接するＡｕＢｅ層であり、図１３では、ｎ型ＧａＰからなる電流拡散層９０と接するＡｕＧｅＮｉ層である）が分散形成されている。本実施形態では、このコンタクト層１２０ｃが、コンタクト層１２０ｃの非形成領域とともに、発光層部２４に発光駆動電圧を印加するための電極１２０（例えばＡｕ電極）により覆われている（電極１２０に換えてＡｇペースト層を形成してもよい）。これにより、コンタクト層１２０ｃの非形成領域では、電極１２０による反射効果を高めることができる。
【００８６】
以下、高角度のオフアングルを有する単結晶基板を用いたときの効果を確認するために、次の実験を行なった。まず、図１の発光素子を製造するためのダイシング前の基板を、各層が以下の厚さとなるように形成した。なお、使用したＧａＡｓ単結晶基板は、＜１００＞方向を基準方向として、該基準方向に対するオフアングルを２°以上２０°以下の範囲で種々に設定したものを用いている。
・ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６＝１μｍ（Ｓｉドーピング濃度：１×１０１７〜３×１０１７／ｃｍ３）；
・ＡｌＧａＩｎＰ活性層５＝０．６μｍ（発光波長６５０ｎｍ）（ノンドープ）；
・ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４＝１μｍ（Ｍｇドーピング濃度：４×１０１７〜１０×１０１７／ｃｍ３）；
・電流拡散層７：５〜５０μｍ
・電流阻止層１０：０．１μｍ。
【００８７】
なお、ＨＶＰＥ法による電流拡散層７の形成厚さは５μｍ以上５０μｍ以下の値にて種々に設定し、成長温度は６４０℃以上８４０℃以下の範囲で種々に設定した。得られた基板は、電流拡散層７の表面を光学顕微鏡により観察するとともに、平面外径２０μｍ以上の粗大な突起状結晶欠陥の、単位面積当たり個数を計数した（判定条件を表下に示している）。該結果を表１にまとめて示す。
【００８８】
【表１】
この結果によると、オフアングルが１０°以上２０°以下の範囲では、電流拡散層７の成長温度を７９０℃以下の比較的低温に設定した場合でも、電流拡散層７の表面における突起状結晶欠陥の形成個数を顕著に減少でき、平滑で良好な層表面が得られていることがわかる。特に、オフアングルを、１３゜以上１７°以下の範囲内の値である１５°に設定したとき、電流拡散層７の成長温度を６９０℃ないし６４０℃まで下げても、突起状結晶欠陥の形成抑制効果はあまり損なわれていないことがわかる。また。図１０は、各オフアングルでの、電流拡散層７の表面状態が最適化される下限温度において、種々の厚さにＧａＰ電流拡散層をＨＶＰＥ法により成長したときの、発光層部２４のメサ輝度（特開昭５１−１４４１８５号公報参照）の測定結果を示すものである。通常、電流拡散層７の厚さが大きくなるほど電流の面内拡散効果が高められ、発光層部２４に電流を均一供給できるので、メサ輝度は該電流拡散層７の厚さとともに増加する。しかし、電流拡散層の成長厚さがある程度大きくなれば、その成長の熱履歴に発光層部２４が曝される時間が長くなり、ドーパントプロファイルの拡散劣化が進行して、メサ輝度の増加傾向は鈍ることになる。図１０の結果によると、オフアングルを１５°に設定した場合、表１の結果からも明らかな通り、電流拡散層７の表面状態が最適化される下限温度は６９０℃であり、オフアングルが２°である場合の８４０℃よりも１５０℃も低い。その結果、電流拡散層７の厚さに対するメサ輝度の増加率の鈍りが小さく、特に電流拡散層７を２５μｍ以上に設定したときのメサ輝度の相対値は、オフアングルが２°の場合よりも、１０〜４０％近くも増大していることがわかる。また、図１０には、比較のため、オフアングルが１５°で、成長温度を８９０℃に設定した場合も結果も示しているが、この場合は電流拡散層膜厚に対するメサ輝度の増加率の鈍りが相当大きくなっている。つまり、オフアングルが１５°で成長温度を６９０℃とした場合に良好な結果が得られている要因は、成長温度の低減によりドーパントプロファイルの拡散防止が図られているためであることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の発光素子の一例を積層構造にて示す模式図。
【図２】図１の発光素子の製造工程を示す説明図。
【図３】図２に続く説明図。
【図４】図３に続く説明図。
【図５】図１の発光素子の、第一の変形例を示す図。
【図６】図５の発光素子の製造工程の、図３の工程との相違点を抜き出して示す説明図。
【図７】図１の発光素子の、第二の変形例を示す図。
【図８】図１の発光素子の、第三の変形例を示す図。
【図９】図１の発光素子の、第四の変形例を示す図。
【図１０】ＧａＡｓ単結晶基板のオフアングルを種々の値に設定したときの、メサ輝度と電流拡散層厚さとの関係を測定した実験結果を示すグラフ。
【図１１】図１の発光素子の、第五の変形例を示す図。
【図１２】図１の発光素子の、第六の変形例を示す図。
【図１３】図１の発光素子の、第七の変形例を示す図。
【符号の説明】
１ 単結晶基板
４ ｐ型クラッド層（第二導電型クラッド層）
５ 活性層
６ ｎ型クラッド層（第一導電型クラッド層）
７ 電流拡散層
７ａ 第一層
７ｂ 第三層
８ 高濃度ドーピング層
９ 第一電極
１０ 電流阻止層
１０’ 第二層
１１ 第四層
２４ 発光層部
１００ 発光素子
Claims (27)
- 単結晶基板上に、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と電流拡散層とを形成し、前記発光層部に発光駆動電圧を印加するための電極を形成する発光素子の製造方法において、
前記単結晶基板上に前記発光層部を有機金属気相成長法により形成する第一の気相成長工程と、
該第一の気相成長工程の後に、前記有機金属気相成長法とは異なるハイドライド気相成長法により、前記電流拡散層をｎ型半導体層として形成する第二の気相成長工程と
を有することを特徴とする発光素子の製造方法。 - 前記電流拡散層は、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とし、かつ、前記発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きいｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層として形成されることを特徴とする請求項１記載の発光素子の製造方法。
- 前記ドーパントのキャリア濃度が１×１０１７／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下とされることを特徴とする請求項２記載の発光素子の製造方法。
- 前記第二の気相成長工程において、電流拡散層の形成厚さを５μｍ以上２００μｍ以下とすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
- 前記電流拡散層の前記電極を形成する側の主表面を含む表層部に、多数キャリアを生じさせるためのドーパントのキャリア濃度が前記電流拡散層内の残余の部分よりも高くされた、高濃度ドーピング層を形成することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
- 前記電流拡散層は、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上としたｎ型半導体層として形成され、前記ドーパントのキャリア濃度が、前記高濃度ドーピング層において１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下、前記残余の部分において１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３以下とされることを特徴とする請求項５記載の発光素子の製造方法。
- 前記電流拡散層において、電極形成側部分をそれ以外の部分よりもＧａＡｓ混晶比１−ａが大きい高ＧａＡｓ混晶比ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ＜１）層とし、当該高ＧａＡｓ混晶比ＧａＡｓ１−ａＰａ層に、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とする高濃度ドーピング層を形成することを特徴とする請求項２ないし請求項６のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
- 前記電流拡散層と、前記発光層部の該電流拡散層と接する部分とが、格子定数の互いに異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて構成され、前記電流拡散層は、前記発光層部と接する部分が有機金属気相成長法により形成されるＭＯ層部とされ、それ以外の部分がハイドライド気相成長法により形成されるＨＶＰＥ層部とされることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
- 前記電流拡散層内に、該電流拡散層とは導電型の異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる電流阻止層を埋設形成する電流阻止層形成工程を含み、
前記電流拡散層の、前記電極側において該電流阻止層を覆う部分を少なくとも、前記第二の気相成長工程により形成することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。 - 前記電流阻止層形成工程は、
前記発光層部の上に、前記電流拡散層の一部をなす第一導電型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる第一層と、前記電流阻止層をなす第二の導電型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体よりなる第二層とを有機金属気相成長法により順次形成する第三の気相成長工程と、
得られた第二導電型の化合物半導体層を、前記電流阻止層となるべき部分を残して残余の部分をエッチング除去するエッチング工程とを有し、
前記第二の気相成長工程は、前記第一層と同一導電型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第三層を、前記第二層のエッチング後の残余部分をくるむように前記ハイドライド気相成長法により形成するものであることを特徴とする請求項９記載の発光素子の製造方法。 - 前記第一層及び前記第二層を、いずれもＡｌを含有しないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体により形成することを特徴とする請求項１０記載の発光素子の製造方法。
- 前記第一層、前記第二層及び前記第三層をいずれも、前記発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きいＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）により形成することを特徴とする請求項１１記載の発光素子の製造方法。
- 前記第一層と前記第二層との間に、両層のいずれとも材質の異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる第四層を介挿形成し、
前記エッチング工程において、前記第四層をエッチストップ層として前記第二層を化学的に選択エッチングすることを特徴とする請求項１２記載の発光素子の製造方法。 - 前記第四層の厚みを１ｎｍ以上１００ｎｍ以下に調整することを特徴とする請求項１３記載の発光素子の製造方法。
- 前記発光層部は、２種以上のＩＩＩ族元素を含む（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０＜ｙ≦１）にて構成されるｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層が前記電極側からこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有することを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
- 前記単結晶基板はオフアングルを有するものが使用されるとともに、該単結晶基板は、＜１００＞方向を基準方向として、前記オフアングルが１゜以上２５゜以下の主軸を有するＧａＡｓ単結晶基板であることを特徴とする請求項１５に記載の発光素子の製造方法。
- 前記単結晶基板は前記オフアングルが１０°以上２０°以下の主軸を有するＧａＡｓ単結晶基板であることを特徴とする請求項１６記載の発光素子の製造方法。
- 前記第二の気相成長工程において、ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ＜１）からなる前記電流拡散層を前記ハイドライド気相成長法により６４０℃以上７５０℃以下の温度にて成長することを特徴とする請求項１７記載の発光素子の製造方法。
- 単結晶基板上へのエピタキシャル成長により形成した、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と電流拡散層とを有する発光素子において、
前記発光層部は有機金属気相成長法により形成されてなり、
該発光層部の上に、前記電流拡散層が前記有機金属気相成長法とは異なるハイドライド気相成長法を用いてｎ型半導体層として形成されてなることを特徴とする発光素子。 - 前記電流拡散層の前記ハイドライド気相成長法により形成された部分のＣ濃度が７×１０１７／ｃｍ３以下であることを特徴とする請求項１９記載の発光素子。
- 前記電流拡散層と、前記発光層部の該電流拡散層と接する部分とが、格子定数の互いに異なるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にて構成され、前記電流拡散層は、前記発光層部と接する部分が有機金属気相成長法によるＭＯ層部として形成され、それ以外の部分がハイドライド気相成長法によるＨＶＰＥ層部として形成されたものであることを特徴とする請求項１９又は２０に記載の発光素子。
- 単結晶基板上へのエピタキシャル成長により形成した、それぞれＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層部と電流拡散層と、前記発光層部に発光駆動電圧を印加するための電極とを有する発光素子において、
前記発光層部は、２種以上のＩＩＩ族元素を含む（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０＜ｙ≦１）にて構成されるｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層が、前記電極側からこの順序にて積層されたダブルへテロ構造を有し、かつ、前記ｎ型クラッド層がＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上をドーパントとするｎ型（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰにて構成され、
前記電流拡散層は、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とし、かつ、前記発光層部のピーク発光波長に対応した光エネルギーよりもバンドギャップエネルギーの大きいｎ型ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ≦１）層として形成され、さらに、
前記電流拡散層中のＣ濃度が、前記ｎ型クラッド層のＣ濃度よりも小さくされてなることを特徴とする発光素子。 - 前記電流拡散層の前記発光層部と接する部分が有機金属気相成長法によるＭＯ層部として形成され、それ以外の部分がハイドライド気相成長法によるＨＶＰＥ層部として形成されたものであることを特徴とする請求項２２に記載の発光素子。
- 前記電流拡散層の形成厚さを５μｍ以上２００μｍ以下とすることを特徴とする請求項２１ないし請求項２３のいずれか１項に記載の発光素子。
- 前記電流拡散層の前記電極を形成する側の主表面を含む表層部に、Ｓｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とされるドーパントのキャリア濃度が前記電流拡散層内の残余の部分よりも高くされた、高濃度ドーピング層を形成することを特徴とする請求項２１ない請求項２４のいずれか１項に記載の発光素子。
- 前記電流拡散層は、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上としたｎ型半導体層として形成され、前記ドーパントのキャリア濃度が、前記高濃度ドーピング層において１×１０１８／ｃｍ３以上５×１０１９／ｃｍ３以下、前記残余の部分において１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０１８／ｃｍ３以下とされることを特徴とする請求項２５記載の発光素子。
- 前記電流拡散層において、電極形成側部分を、それ以外の部分よりもＧａＡｓ混晶比１−ａが大きい高ＧａＡｓ混晶比ＧａＡｓ１−ａＰａ（０≦ａ＜１）層とし、当該高ＧａＡｓ混晶比ＧａＡｓ１−ａＰａ層に、ドーパントをＳｉ、Ｓ、ＳｅおよびＴｅの１種または２種以上とする高濃度ドーピング層を形成することを特徴とする請求項２５又は請求項２６に記載の発光素子。
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