JP2010267776A - 半導体発光装置及び半導体発光装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い発光効率及び高い信頼性を有する半導体発光装置を提供すること。
【解決手段】第１のクラッド層と、第２のクラッド層と、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に形成された活性層と、第２のクラッド層の上に中間層及び第１の透明導電層を順次積層して形成された拡散制御層と、拡散制御層よりも低い不純物濃度を有する第２の透明導電層と、第２の透明導電層よりも高い不純物濃度を有する第３の透明導電層と、からなり、中間層と第１の透明導電層との界面が格子不整合界面であること。
【選択図】図１
【解決手段】第１のクラッド層と、第２のクラッド層と、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に形成された活性層と、第２のクラッド層の上に中間層及び第１の透明導電層を順次積層して形成された拡散制御層と、拡散制御層よりも低い不純物濃度を有する第２の透明導電層と、第２の透明導電層よりも高い不純物濃度を有する第３の透明導電層と、からなり、中間層と第１の透明導電層との界面が格子不整合界面であること。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体発光装置に関し、半導体基板上に複数の半導体層を積層する技術を用いた製造方法によって製造される半導体発光装置及びこれの製造方法に関する。
従来から、成長用基板として用いられるＧａＡｓ基板上に有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）によって複数の半導体層を積層し、半導体発光装置を形成する方法が知られている。例えば、ＧａＡｓ基板上には、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層及びｐ型電流拡散層が順次積層される。更に、ＧａＡｓ基板のｎ型クラッド層が形成された面とは逆側（すなわち、ＧａＡｓ基板の裏面側）及びｐ型電流拡散層上には、それぞれ裏面電極及び表面電極が形成される。
上述した半導体発光装置は、主に自動車のテールランプ、各種表示機器及び携帯電話等のモバイル機器のバックライトに従来から用いられている。また、近年において、自動車のヘッドライト、液晶ディスプレイのバックライト及び一般照明等への需要が拡大し始めている。このような半導体発光装置の市場拡大に伴い、半導体発光装置の発光効率及び信頼性の向上が要求されている。
従来から、発光効率の向上及び動作電圧の低下を図るために、キャリア濃度の異なる複数の電流拡散層を積層する技術が知られている。例えば、特許文献１には、キャリア濃度の異なる３つの電流拡散層を積層する技術が開示されている。更に、特許文献１には、クラッド層の上に最も高いキャリア濃度を有する第１電流拡散層を形成し、その上に最も低いキャリア濃度を有する第２電流拡散層を形成し、最上部に第１電流拡散層のキャリア濃度より低く且つ第２電流拡散層のキャリア濃度より高いキャリア濃度を有する第３電流拡散層を形成する内容が開示されている。
また、動作電圧及び消費電力の低下を図るために、クラッド層と電流拡散層との間に格子不整合を緩和する中間層を挿入する技術が知られている。例えば、特許文献２には、ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とＧａＰ層との間に中間層としてＡｌＩｎＡｓ層を挿入する技術が開示されている。
更に、発光効率の向上を図るためには、活性層のキャリア濃度が重要であることが知られている。例えば、特許文献３には、高い発光効率を有するＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光装置において、活性層中のＳｉ及びＺｎ濃度の制御が重要であることが開示されている。
近年においては、高輝度であり、且つ、高い信頼性を備える半導体発光装置の要求がより強まってきている。より具体的には、高い発光効率を得るために、活性層中のキャリア濃度を高精度に制御することや、高い信頼性を得るために、順方向電圧を低減することが要求されている。
しかしながら、活性層中におけるキャリア濃度は、クラッド層上の電流拡散層から拡散する不純物の影響を受け易い。このため、電流拡散層の成長温度、成長時間及び膜厚のばらつきによって電流拡散層から拡散する不純物の量が半導体発光装置ごとに異なり、活性層中のキャリア濃度を高精度に制御することが困難であった。
また、順方向電圧は、成長用基板上に形成される半導体層の膜厚や、不純物の量の影響を受け易い。このため、半導体層の膜厚及び不純物の量のばらつきにより、順方向電圧の低減が十分に図ることが困難であった。
本発明の目的は、以上の如き事情に鑑みてなされたものであり、高い発光効率及び高い信頼性を有する半導体発光装置及びこれの製造方法を提供することである。
上述した課題を解決するために、本発明の半導体発光装置は、第１導電型の第１のクラッド層と、第２導電型の第２のクラッド層と、第１のクラッド層と第２のクラッド層との間に形成された第２導電型の活性層と、第２のクラッド層の上に第１のクラッド層と格子整合する第２導電型の中間層及び第２導電型の第１の透明導電層を順次積層して形成された拡散制御層と、拡散制御層の上に形成され、拡散制御層よりも低い不純物濃度を有する第２導電型の第２の透明導電層と、第２の透明導電層の上に形成され、第２の透明導電層よりも高い不純物濃度を有する第２導電型の第３の透明導電層と、からなり、中間層と第１の透明導電層との界面が格子不整合界面であることを特徴とする。
また、上述した課題を解決するために、本発明の半導体発光装置の製造方法は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層及びＺｎがドープされたｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を成長する工程と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層の上に、Ｚｎがドープされ且つ２０ｎｍ以上の膜厚を備えるｐ型ＡｌＧａＩｎＰ中間層及びＺｎがドープされたＧａＩｎＰからなる第１の透明導電層を順次積層して、１００ｎｍ以下の合計膜厚を備える拡散制御層を成長する工程と、拡散制御層の上に、拡散制御層より低い濃度でＺｎがドープされたＧａＩｎＰからなる第２の透明導電層を成長する工程と、第２の透明導電層の上に、第２の透明導電層より高い濃度でＺｎがドープされたＧａＩｎＰからなる第３の透明導電層を成長する工程と、を有することを特徴とする。
本発明の半導体発光装置は、第１のクラッド層とともに活性層を挟む第２のクラッド層の上に、中間層、第１の透明導電層、第２の透明導電層及び第２の透明導電層よりも高い不純物濃度を有する第３の透明導電層を順次積層した構造を有している。中間層と第１の透明導電層とは、第２の透明導電層及び第３の透明導電層から拡散する不純物量を制御する拡散制御層を構成し、拡散制御層は第２の透明導電層の不純物濃度よりも高い不純物濃度及び格子不整合界面を有している。
このような拡散制御層並びに拡散制御層の上に不純物の拡散源となる第２及び第３の透明導電層を有することにより、順方向電圧の低減を図るとともに第２及び第３の透明導電層からの不純物の拡散を制御することができるため、高輝度、且つ、高い信頼性を備える半導体発光装置を提供することができる。
また、本発明の半導体発光装置の製造方法は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層及びＺｎがドープされたｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を成長する工程と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層の上に、Ｚｎがドープされ且つ２０ｎｍ以上の膜厚を備えるｐ型ＡｌＧａＩｎＰ中間層及びＺｎがドープされたＧａＩｎＰからなる第１の透明導電層を順次積層して、１００ｎｍ以下の合計膜厚を備える拡散制御層を成長する工程と、拡散制御層の上に、拡散制御層より低い濃度でＺｎがドープされたＧａＩｎＰからなる第２の透明導電層を成長する工程と、第２の透明導電層の上に、第２の透明導電層より高い濃度でＺｎがドープされたＧａＩｎＰからなる第３の透明導電層を成長する工程と、を有している。
このような、拡散制御層の膜厚制御及び各透明導電層におけるＺｎのドープ制御により、高輝度、且つ、高い信頼性を備える半導体発光装置を製造することができる。
以下、本発明の実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
先ず、図１及び図３を参照しつつ、本発明の実施例１に係る半導体発光装置の構造及びその製造方法について説明する。
図１は、本発明の実施例１に係る半導体発光装置１０の断面図である。図１に示されているように、半導体発光装置１０は、成長用基板であるｎ型ＧａＡｓ基板１１の表面（主面）上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５、ｐ型中間層１６、電流拡散層として機能する第１のｐ型透明導電層１７、電流拡散層として機能する第２のｐ型透明導電層１８、電流拡散層として機能する第３のｐ型透明導電層１９及びｐ型コンタクト層２０が順次積層されている。ここで、ｐ型中間層１６は、ｐ型クラッド層１５と第１のｐ型透明導電層１７との間の格子不整合を緩和するために設けられた半導体層である。更に、半導体発光装置１０は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１のｎ型クラッド層１２が形成された表面とは逆側の面（すなわち、裏面）の全面にｎ型電極２１、ｐ型コンタクト層２０上の中央部分にｐ型電極２２を有している。以下に、かかる構成を有する半導体発光装置１０の製造方法を、図２を参照しつつ詳細に説明する。
先ず、成長用基板であるｎ型ＧａＡｓ基板１１が準備される（図２（ａ））。本実施例では、ｎ型ＧａＡｓ基板１１は、シリコン（Ｓｉ）がドープされ、その主面は面方位（１００）から４度（４°）傾いている。すなわち、ｎ型ＧａＡｓ基板１１は４°オフの成長用基板である。
次に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）により、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の上にｎ型ＧａＡｓバッファ層１２が積層される。成長条件は、例えば、成長温度が約摂氏７５０度（７５０℃）、成長圧力が約１０キロパスカル（ｋＰａ）である。有機金属（ＭＯ）材料（ＩＩＩ族原料）としては、例えば、トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）が用いられる。Ｖ族ガスとしては、例えば、アルシン（ＡｓＨ3）が用いられる。なお、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２は、約０．５マイクロメートル（μｍ）の膜厚を有している。
更に、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２の上に、ｎ型クラッド層１３、アンドープ活性層３１、ｐ型クラッド層１５及びｐ型中間層１６が順次積層される。ｎ型クラッド層１３からｐ型中間層１６までの各層が積層された状態を図２（ｂ）に示す。成長条件は、例えば、成長温度が約７５０℃、成長圧力が約１０ｋＰａである。ＭＯ材料としては、例えば、ＴＭＧａ、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）が用いられる。Ｖ族ガスとしては、例えば、ＡｓＨ3及びフォスフィン（ＰＨ3）が用いられる。なお、Ｖ／ＩＩＩ比は３０〜２００である。不純物添加用の原料としては、例えば、ｎ型不純物としてシラン（ＳｉＨ4）が用いられ、ｐ型不純物としてジメチルジンク（ＤＭＺｎ）が用いられる。また、キャリアガスとしては水素が用いられる。具体的な製造工程は、以下の通りである。
先ず、組成が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦１、0＜ｙ≦１）で、Ｓｉの濃度が約５×１０17atoms/cm3のｎ型クラッド層１２が、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２の上に約１μｍ形成される。本実施例では、ｎ型クラッド層１２は、（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。
次に、組成が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦１、0＜ｙ≦１）で、不純物がドープされていないアンドープ活性層３１が、ｎ型クラッド層１２の上に約８３０ナノメートル（ｎｍ）形成される。ここで、ｘ及びｙの値は、アンドープ活性層３１のバンドギャップがｎ型クラッド層１２及びｐ型クラッド層１５のバンドギャップよりも小さくなるように設定される。本実施例では、アンドープ活性層３１は、井戸層が（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.5Ｉｎ0.5Ｐであり、障壁層が（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐである量子井戸構造（３０周期）を有している。また、各井戸層の膜厚は約１８ｎｍであり、各障壁層の膜厚は約１０ｎｍである。
続いて、組成が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦１、0＜ｙ≦１）で、Ｚｎがドープされたｐ型クラッド層１５が、アンドープ活性層３１の上に約１μｍ形成される。このとき、ｐ型クラッド層１５の平均Ｚｎ濃度が約３×１０17atoms/cm3となるようにＤＭＺｎの供給量が制御される。本実施例では、ｐ型クラッド層１５は、（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。
更に、組成が（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0≦ｘ≦１、0＜ｙ≦１）で、Ｚｎがドープされたｐ型中間層１６が、ｐ型クラッド層１５の上に約２０ｎｍ形成される。このとき、ｐ型中間層１６の平均Ｚｎ濃度が約１×１０18atoms/cm3となるようにＤＭＺｎの供給量が制御される。本実施例では、ｐ型中間層１６は、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐである。ここで、ｐ型中間層１６は、順方向電圧（Ｖｆ）の上昇を抑制する目的で形成されるため、Ａｌ組成を０．３以上にする必要がある。これにより、ｐ型中間層１６はｐ型クラッド層１５と第１の透明導電層１７の中間のバンドギャップを形成し、半導体発光装置１０の順方向電圧の低減が可能になる。
次に、ＭＯＣＶＤ法により、ｐ型中間層１６の上に第１のｐ型透明導電層１７、第２のｐ型透明導電層１８、第３のｐ型透明導電層１９及びｐ型コンタクト層２０が順次積層される。第１のｐ型透明導電層１７からｐ型コンタクト層２０までが積層された状態を図２（ｃ）に示す。成長条件は、例えば、成長温度が約８５０℃、成長圧力が約１０ｋＰａである。ＭＯ材料としては、例えば、ＴＭＧａ及びＴＭＩが用いられる。Ｖ族ガスとしては、例えば、ＰＨ3が用いられる。Ｖ／ＩＩＩ比は３０〜２００である。不純物添加用の原料としてはＤＭＺｎが用いられる。また、キャリアガスとしては水素が用いられる。具体的な製造工程は、以下の通りである。
先ず、組成がＧａxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ≦１）で、Ｚｎがドープされた第１のｐ型透明導電層１７が、ｐ型中間層１６の上に約２０ｎｍ形成される。このとき、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が約１×１０18atoms/cm3となるようにＤＭＺｎの供給量が制御される。本実施例では、第１のｐ型透明導電層１７は、Ｇａ0.95Ｉｎ0.05Ｐである。
次に、組成がＧａxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ≦１）で、Ｚｎがドープされた第２のｐ型透明導電層１８が、第１のｐ型透明導電層１７の上に約２００ｎｍ形成される。このとき、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度が約８×１０17atoms/cm3となるようにＤＭＺｎの供給量が制御される。本実施例では、第２のｐ型透明導電層１８は、Ｇａ0.95Ｉｎ0.05Ｐである。
続いて、組成がＧａxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ≦１）で、Ｚｎがドープされた第３のｐ型透明導電層１９が、第２のｐ型透明導電層１８の上に約１０μｍ形成される。このとき、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度が約３×１０18atoms/cm3となるようにＤＭＺｎの供給量が制御される。本実施例では、第３のｐ型透明導電層１９は、Ｇａ0.95Ｉｎ0.05Ｐである。
更に、組成がＧａxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ≦１）で、Ｚｎがドープされたｐ型コンタクト層２０が、第３のｐ型透明導電層１９の上に約２００ｎｍ形成される。このとき、ｐ型コンタクト層２０の平均Ｚｎ濃度が約１×１０19atoms/cm3となるようにＤＭＺｎの供給量が制御される。本実施例では、第２のｐ型透明導電層１８は、Ｇａ0.95Ｉｎ0.05Ｐである。
ここで、第１のｐ型透明導電層１７、第２のｐ型透明導電層１８及び第３のｐ型透明導電層１９の表面において良好な鏡面を形成し、Ｚｎの拡散を制御し易くするために、第１のｐ型透明導電層１７、第２のｐ型透明導電層１８及び第３のｐ型透明導電層１９のＩｎ組成を１％以上にすることが好ましい。これは、Ｉｎ組成が１％未満の場合や、Ｉｎを全く含まない場合には、結晶欠陥が増加してしまい、Ｚｎの拡散を制御することが困難になるからである。しかしながら、第１のｐ型透明導電層１７、第２のｐ型透明導電層１８及び第３のｐ型透明導電層１９のＩｎ組成を１５％以上にすると表面粗さが劣化してしまう。このため、Ｉｎ組成を３〜１０％の範囲に設定することが更に好ましい。
また、第１のｐ型透明導電層１７から第３のｐ型透明導電層１９までの形成時において、第１のｐ型透明導電層１７、第２のｐ型透明導電層１８及び第３のｐ型透明導電層１９からアンドープ活性層３１に向かってＺｎが拡散する。このようなＺｎの拡散により、アンドープ活性層３１にＺｎがドープされ、アンドープ活性層３１がＺｎをｐ型キャリアとして有する活性層１４に変化する。
次に、ｐ型コンタクト層２０の上にレジストが塗布される。塗布されたレジストが所望の電極パターンになるように、パターンニングが施される。パターンニングされたレジストの開口部分に、真空蒸着法によって金・亜鉛の合金（ＡｕＺｎ）が蒸着される。その後に、レジストを除去すること（リフトオフ法）で、所望の形状のｐ型電極２２が形成される。続いて、真空蒸着法により、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の裏面全体に金・ゲルマニウム・ニッケルの合金（ＡｕＧｅＮｉ）が真空蒸着され、ｎ型電極２１が形成される。本工程の終了により、半導体発光装置１０が完成する（図２（ｄ））。なお、ｎ型電極２１及びｐ型電極２２を構成する金属が蒸着させた後において、加熱による合金化処理が施される。
なお、上述した半導体装置１０及びその製造方法は一例にすぎず、上記内容に限られることは無い。例えば、ｎ型及びｐ型を入れ替えて半導体発光装置１０を製造しても良い。また、アンドープ活性層３１において、井戸層をＧａ0.5Ｉｎ0.5Ｐとし、障壁層を（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐ又はＡｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐとしても良い。更には、アンドープ活性層３１の構造が、（Ａｌ0.15Ｇａ0.85）0.5Ｉｎ0.5Ｐのみからなる一層構造であっても良い。同様の観点から、ｎ型クラッド層１３及びｐ型クラッド層１５の組成が、Ａｌ0.5Ｉｎ0.5Ｐであっても良い。更には、ｎ型クラッド層１３及びｐ型クラッド層１５が２層以上の積層構造を有しても良い。また、ｐ型コンタクト層２０は、Ａｌ組成が６０％以上のＡｌＧａＡｓから構成されても良い。
次に、半導体発光装置１０におけるＺｎの拡散状態を説明する。図３は、本実施例により製造した半導体発光装置１０の二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Secondary Ion Mass Spectrometry）の結果であって、半導体発光装置１０におけるＺｎの濃度分布を示すグラフである。なお、本実施例において、ドープされるＺｎはすべてｐ型キャリアとして機能するので、各半導体層におけるＺｎ濃度はｐ型キャリア濃度と等しい。
図３に示されているように、活性層１４におけるＺｎ濃度は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１から離れるにつれて徐々に増加していることが判った。また、活性層１４の平均Ｚｎ濃度は、約３×１０16atoms/cm3であった。ｐ型クラッド層１５におけるＺｎ濃度はほぼ一定であり、ｐ型クラッド層１５の平均Ｚｎ濃度は、約３×１０17atoms/cm3であった。かかる分析結果により、ｐ型クラッド層１５の成長時におけるＺｎプロファイルの設定値と、成長後のｐ型クラッド層１５の平均Ｚｎ濃度と、がほぼ一致していることが判った。
ｐ型中間層１６におけるＺｎ濃度は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１から離れるにつれて急峻に増加している。また、第１のｐ型透明導電層１７中におけるＺｎ濃度は、ｎ型ＧａＡｓ基板１１から離れるにつれて、急峻に減少している。ｐ型中間層１６と第１のｐ型透明導電層１７との界面付近において、ｐ型中間層１６及び第１のｐ型透明導電層１７の領域におけるＺｎ濃度のピークが存在することが判った。ｐ型中間層１６及び第１のｐ型透明導電層１７の領域における平均Ｚｎ濃度は、約１×１０18atoms/cm3であった。かかる分析結果により、ｐ型中間層１６及び第１のｐ型透明導電層１７の成長時におけるＺｎプロファイルの設定値と、成長後のｐ型中間層１６及び第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度と、がほぼ一致していることが判った。ここで、ＡｌＧａＩｎＰ系のｐ型中間層１６とＧａＩｎＰ系の第１のｐ型透明導電層１７とは結晶格子の間隔（格子定数）が異なるため、ｐ型中間層１６と第１のｐ型透明導電層１７との界面は格子不整合界面である。
第２のｐ型透明導電層１８におけるＺｎ濃度はほぼ一定であって、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度は、約８×１０17atoms/cm3であった。また、第３のｐ型透明導電層１９におけるＺｎ濃度はほぼ一定であって、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度は、約３×１０18atoms/cm3であった。かかる分析結果により、第２のｐ型透明導電層１８及び第３のｐ型透明導電層１９の成長時におけるＺｎプロファイルの設定値と、成長後の第２のｐ型透明導電層１８及び第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度と、がほぼ一致していることが判った。
また、図３に示されているように、ｐ型クラッド層１５と第２のｐ型透明導電層１８との間には、ｐ型中間層１６及び第１のｐ型透明導電層１７のＺｎ濃度分布により、Ｚｎ濃度のピーク（スパイク状の濃度プロファイル）が形成されている。
第１のｐ型透明導電層１７と第３のｐ型透明導電層１９との間に第１のｐ型透明導電層１７及び第３のｐ型透明導電層１９よりも平均Ｚｎ濃度が低い第２のｐ型透明導電層１８を含む構造により、半導体層（ｐクラッド層１５乃至ｐ型コンタクト層２０）の形成時におけるＺｎの拡散速度を緩和することができる。この理由としては、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度が第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度より低いことで、第３のｐ型透明導電層１９からアンドープ活性層３１に向かって拡散するＺｎが、第２のｐ型透明導電層１８に一旦滞留していると考えられる。
また、ｐ型クラッド層１５と第２のｐ型透明導電層１８との間に、ｐ型クラッド層１５及び第２のｐ型透明導電層１８よりも平均Ｚｎ濃度が高いｐ型中間層１６及び第１のｐ型透明導電層１７が挿入されている。更に、ｐ型中間層１６と第１のｐ型透明導電層１７との合計膜厚が、その他の半導体層の膜厚よりも薄くなっている（すなわち、濃度スパイクが存在している）。これらにより、半導体層（ｐクラッド層１５乃至ｐ型コンタクト層２０）の形成時におけるＺｎの拡散速度を緩和することができる。この理由としては、ｐ型中間層１６及び第１のｐ型透明導電層１７からなる部分が、第２のｐ型透明導電層１８及び第３のｐ型透明導電層１９からアンドープ活性層３１に向かって拡散するＺｎに対して、障壁として機能していることが考えられる。すなわち、拡散するＺｎがｐ型中間層１６及び第１のｐ型透明導電層１７からなる部分に高濃度に存在するＺｎの影響を受けるため、第１のｐ型透明導電層１７と第２のｐ型透明導電層１８との界面付近においてＺｎの拡散が生じにくくなっていると考えられる。このことから、ｐ型中間層１６及び第１のｐ型透明導電層１７からなる半導体層（すなわち、濃度スパイクを有する層）を拡散制御層４０（図１及び図２参照）と称する。また、拡散制御層４０の膜厚が１００ｎｍを超えると、拡散制御層４０がＺｎの拡散源となる。すなわち、拡散制御層４０の膜厚が１００ｎｍを超える場合には、拡散制御層４０からの拡散により、アンドープ活性層３１へのＺｎの拡散速度を緩和することが困難になる。このことから、拡散制御層４０の膜厚を１００ｎｍ以下となるように、ｐ型中間層１６及び第１のｐ型透明導電層１７の膜厚を決定する必要がある。なお、ｐ型中間層１６の膜厚の範囲については、後述する。
更に、ｐ型中間層１６と第１のｐ型透明導電層１７との界面は格子不整合界面であるため、半導体層（ｐクラッド層１５乃至ｐ型コンタクト層２０）の形成時におけるＺｎの拡散速度を緩和することができる。この理由を以下に説明する。
先ず、第３のｐ型透明導電層１９は、第２のｐ型透明導電層１８よりも膜厚が厚く、且つ、平均Ｚｎ濃度が高い。このため、第３のｐ型透明導電層１９のＺｎの拡散速度は、第２のｐ型透明導電層１８のＺｎの拡散速度よりも速い。すなわち、第３のｐ型透明導電層１９から第２のｐ型透明導電層１８に向かってＺｎの拡散が、生じやすくなっている。更に、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度は第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度よりも高いため、第３のｐ型透明導電層１９から拡散するＺｎは第２のｐ型透明導電層１８に蓄積する（すなわち、拡散するＺｎが第２のｐ型透明導電層１８でトラップされる）。これにより、第２のｐ型透明導電層１８におけるＺｎの拡散速度は、第３のｐ型透明導電層１９における拡散速度より遅くなる。また、第２のｐ型透明導電層１８は、第１のｐ型透明導電層１７よりも平均Ｚｎ濃度が低い。このため、第２のｐ型透明導電層１８から第１のｐ型透明導電層１７に向かってＺｎの拡散が生じにくくなり、第１のｐ型透明導電層１７のＺｎの拡散速度は、第２のｐ型透明導電層１８のＺｎの拡散速度よりも更に遅くなる。以上のことから、第１のｐ型透明導電層１７、第２のｐ型透明導電層１８及び第３のｐ型透明導電層１９におけるＺｎの拡散は、活性層１４に向うにつれて抑制されていると考えられる。
次に、第１のｐ型透明導電層１７、第２のｐ型透明導電層１８及び第３のｐ型透明導電層１９は転位線を多数有し（すなわち、結晶欠陥が多数存在し）、Ｚｎは当該結晶欠陥を介して移動することができる。一方、ｐ型クラッド層１５及びｐ型中間層１６においては結晶欠陥がほとんど存在しないため、第１のｐ型透明導電層１７、第２のｐ型透明導電層１８及び第３のｐ型透明導電層１９におけるＺｎの移動と比較して、ｐ型クラッド層１５及びｐ型中間層１６においてＺｎは容易に移動することができない。すなわち、第１のｐ型透明導電層１７、第２のｐ型透明導電層１８及び第３のｐ型透明導電層１９におけるＺｎの拡散速度は、ｐ型クラッド層１５及びｐ型中間層１６におけるＺｎの拡散速度よりも速い。以上のことから、第１の透明導電層１７からｐ型中間層１６に向かってＺｎの拡散が生じにくくなり、ｐ型中間層１６のＺｎの拡散速度は、第１のｐ型透明導電層１７のＺｎの拡散速度よりも更に遅くなる。なお、ｐ型クラッド層１５及びｐ型中間層１６においては結晶欠陥がほとんどないため、Ｚｎの濃度の相違に起因する拡散速度の変化が生じることは無く、両層におけるＺｎの拡散速度は一定である。
以上のことから、スパイク状の濃度プロファイルを有する拡散制御層４０の内部に格子不整合界面が存在することにより、格子不整合界面よりも上層（すなわち、第１のｐ型透明導電層１７、第２のｐ型透明導電層１８及び第３のｐ型透明導電層１９）においてＺｎの拡散を効率よく抑制することができるとともに、格子不整合界面を介して更にＺｎの拡散を抑制することができる。
例えば、第１のｐ型透明導電層１７を除去し、格子不整合界面が拡散制御層４０の外部に位置するような場合には、格子不整合界面よりも上層におけるＺｎの拡散は、第３のｐ型透明導電層１９及び第２のｐ型透明導電層１８のみで抑制されている。このため、格子不整合界面におけるＺｎの拡散速度は、上述した本実施例におけるＺｎの拡散速度よりも速く、格子不整合界面よりも上層におけるＺｎの拡散の抑制は十分に施されない。
次に、各実験結果を参照しつつ、本実施例の半導体発光装置１０が高輝度及び高信頼性を備えること及び半導体発光装置１０の各構成部分の許容範囲を詳細に説明する。
図４は、活性層１４の平均Ｚｎ濃度を変化させた場合における、各半導体発光装置１０の規格化出力（発光効率）を示している。図４の横軸は活性層１４の平均Ｚｎ濃度であり、縦軸は規格化出力（発光効率）である。縦軸の発光効率は任意単位であって、平均Ｚｎ濃度が３．１×１０16atoms/cm3のサンプルを基準（すなわち、１．０）としている。なお、横軸は対数表示である。
図４から判るように、活性層１４の平均Ｚｎ濃度が２．０×１０16atoms/cm3未満の領域においては、平均Ｚｎ濃度が低下すると、発光効率も急峻に減少している。また、平均Ｚｎ濃度が４．０×１０16atoms/cm3より高い領域おいて、平均Ｚｎ濃度が上昇すると、発光効率も急峻に減少している。更に、平均Ｚｎ濃度が２．０×１０16〜４．０×１０16atoms/cm3の領域で安定した発光効率が得られ、かかる領域内に発光効率のピークがある。このことから、半導体発光装置１０ごとの発光効率のばらつきを低減し、且つ、高い発光効率を得るには、活性層１４の平均Ｚｎ濃度を２×１０16〜４×１０16atoms/cm3にする必要があることが判った。
次に、上述した製造方法を用いて、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が６×１０17、１×１０18、１×１０19atoms/cm3（３種類）、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度が５×１０17、８×１０17、１×１０18atoms/cm3（３種類）、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度が１×１０18atoms/cm3（固定）の合計９種類のサンプルを製造し、ＳＩＭＳ分析により活性層１４のＺｎ濃度を測定した。かかる測定の分析結果を図５に示す。なお、その他のパラメータ（他の半導体層の膜厚、不純物濃度）は上述した製造方法における設定値と同じである。また、図５の横軸は第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度（atoms/cm3）であり、縦軸は活性層１４の平均Ｚｎ濃度（atoms/cm3）である。また、横軸及び縦軸は対数表示である。
図５に示されているように、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が１×１０18〜１×１０19atoms/cm3の領域において、活性層１４の平均Ｚｎ濃度の変動がほとんど無いことが判った。また、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度の増加に伴い、活性層１４の平均Ｚｎ濃度も増加することが判った。更に、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が１×１０18〜１×１０19atoms/cm3の領域においては、活性層１４の平均Ｚｎ濃度が２×１０16〜４×１０16atoms/cm3の最適範囲内にあることが判った。
次に、上述した製造方法を用いて、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が６×１０17、１×１０18、１×１０19atoms/cm3（３種類）、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度が５×１０17、８×１０17、１×１０18atoms/cm3（３種類）、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度が３×１０18atoms/cm3（固定）の合計９種類のサンプルを製造し、ＳＩＭＳ分析により活性層１４のＺｎ濃度を測定した。かかる測定の分析結果を図６に示す。なお、その他のパラメータ（他の半導体層の膜厚、不純物濃度）は上述した製造方法における設定値と同じである。また、図６の横軸は第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度（atoms/cm3）であり、縦軸は活性層１４の平均Ｚｎ濃度（atoms/cm3）である。また、横軸及び縦軸は対数表示である。
図６に示されているように、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度が５×１０17及び８×１０17atoms/cm3であって、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が１×１０18〜１×１０19atoms/cm3の領域においては、活性層１４の平均Ｚｎ濃度の変動がほとんど無いことが判った。また、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度が１×１０18であって、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が１×１０18〜１×１０19atoms/cm3の領域においては、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が増加すると伴に、活性層１４の平均Ｚｎ濃度も増加することが判った。図５の分析結果と同様に、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度の増加に伴い、活性層１４の平均Ｚｎ濃度も増加することが判った。更に、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度が５×１０17及び８×１０17atoms/cm3であって、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が１×１０18〜１×１０19atoms/cm3の領域においては、活性層１４の平均Ｚｎ濃度が２×１０16〜４×１０16atoms/cm3の最適範囲内にあることが判った。しかしながら、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が１×１０18atoms/cm3より高く、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度が１×１０18atoms/cm3であり、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度が３×１０18atoms/cm3である場合には、活性層１４の平均Ｚｎ濃度が２×１０16〜４×１０16atoms/cm3の最適範囲内に無いことが判った。このため、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度を１×１０19atoms/cm3にするとともに、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度を３×１０18atoms/cm3にする場合には、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度を８×１０17以下にする必要があることが判った。
次に、上述した製造方法を用いて、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が１×１０18atoms/cm3（固定）、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度が５×１０17、８×１０17、１×１０18atoms/cm3（３種類）、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度が５×１０17、１×１０18、３×１０18atoms/cm3（３種類）の合計９種類のサンプルを製造し、ＳＩＭＳ分析により活性層１４のＺｎ濃度を測定した。かかる測定の分析結果を図７に示す。なお、その他のパラメータ（他の半導体層の膜厚、不純物濃度）は上述した製造方法における設定値と同じである。また、図７の横軸は第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度（atoms/cm3）であり、縦軸は活性層１４の平均Ｚｎ濃度（atoms/cm3）である。また、横軸及び縦軸は対数表示である。
図７に示されているように、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度が増加した場合において、活性層１４の平均Ｚｎ濃度が急峻に増加していないことが判った。また、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度の増加に伴い、活性層１４の平均Ｚｎ濃度も増加することが判った。更に、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度が１×１０18〜３×１０18atoms/cm3の領域においては、活性層１４の平均Ｚｎ濃度が２×１０16〜４×１０16atoms/cm3の最適範囲内にあることが判った。
以上の分析結果から、活性層１４の平均Ｚｎ濃度が２×１０16〜４×１０16atoms/cm3となるように、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度を１×１０18〜１×１０19atoms/cm3に、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度を５×１０17〜１×１０18atoms/cm3に、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度を１×１０18〜３×１０18atoms/cm3にする必要があることが判った。但し、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が１×１０19atoms/cm3であり、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度が３×１０18atoms/cm3の場合には、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度を８×１０17atoms/cm3以下に、にする必要があることが判った。これらの条件を満たすことができれば、活性層１４の平均Ｚｎ濃度を最適範囲内（２×１０16〜４×１０16atoms/cm3）で制御できることが判った。
図８は、上述した分析結果と比較するために、従来の構造を有する半導体発光装置についてＳＩＭＳ分析を行い、活性層中のＺｎ濃度を測定した分析結果である。ここで、従来の構造とは、本実施例のような３層構造のｐ型透明導電層ではなく、１層構造のｐ型透明導電層を有し、他の構造は本実施例と同一の構造であることをいう。なお、図８の横軸はｐ型透明導電層の平均Ｚｎ濃度（atoms/cm3）であり、縦軸は活性層の平均Ｚｎ濃度（atoms/cm3）である。また、横軸及び縦軸は対数表示である。
図８に示されているように、ｐ型透明導電層の平均Ｚｎ濃度の増加に伴い、活性層の平均Ｚｎ濃度も増加することが判った。また、活性層の平均Ｚｎ濃度を２×１０16〜４×１０16atoms/cm3にするには、ｐ型透明導電層の平均Ｚｎ濃度を１×１０18〜２×１０18atoms/cm3という非常に狭い範囲で制御する必要があることが判った。図８と図５乃至図７とを比較すれば、本実施例のような３層構造のｐ型透明導電層を用いることで、各ｐ型透明導電層の平均Ｚｎ濃度を変化させた場合においても、活性層１４の平均Ｚｎ濃度の変動がほとんどなくなることが判った。すなわち、本実施例のような構造を用いることにより、活性層１４の平均Ｚｎ濃度を容易に制御できることが判った。すなわち、半導体発光装置１０の発光効率のばらつきを低減し、且つ、再現性の向上に繋がることが判った。
次に、上述した製造方法を用いて、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が１×１０18atoms/cm3（固定）、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度が８×１０17atoms/cm3（固定）、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度が１×１０18及び３×１０18atoms/cm3（２種類）、第２のｐ型透明導電層１８の膜厚が０、２００、１０００ｎｍ（３種類）の合計６種類のサンプルを製造し、ＳＩＭＳ分析により活性層１４中のＺｎ濃度を測定した。かかる測定の分析結果を図９に示す。なお、その他のパラメータ（他の半導体層の膜厚、不純物濃度）は上述した製造方法における設定値と同じである。また、図９の横軸は第２のｐ型透明導電層１８の膜厚（ｎｍ）であり、縦軸は活性層１４の平均Ｚｎ濃度（atoms/cm3）である。また、縦軸は対数表示である。
図９に示されているように、第２のｐ型透明導電層１８の膜厚が２００ｎｍ以上の領域においては、活性層１４の平均Ｚｎ濃度の変動がほとんど無いことが判った。また、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度の増加に伴い、活性層１４の平均Ｚｎ濃度も増加することが判った。更に、第２のｐ型透明導電層１８の膜厚約８０ｎｍ以上の領域においては、活性層１４の平均Ｚｎ濃度が２×１０16〜４×１０16atoms/cm3の最適範囲内にあることが判った。かかる分析結果から、第２のｐ型透明導電層１８の膜厚を２００ｎｍ以上にすることで、活性層１４の平均Ｚｎ濃度を最適範囲内で容易に制御できることが判った。なお、半導体発光装置１０の生産性の観点から、第２のｐ型透明導電層１８の膜厚は１０００ｎｍ以下であることが好ましい。
次に、上述した製造方法を用いて、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が１×１０18atoms/cm3（固定）、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度が８×１０17atoms/cm3（固定）、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度が１×１０18及び３×１０18atoms/cm3（２種類）、第３のｐ型透明導電層１９の膜厚が０、５００、１５００、３０００、４０００、６０００、１００００ｎｍ（７種類）の合計１４種類のサンプルを製造し、ＳＩＭＳ分析により活性層１４中のＺｎ濃度を測定した。かかる測定の分析結果を図１０に示す。なお、その他のパラメータ（他の半導体層の膜厚、不純物濃度）は上述した製造方法における設定値と同じである。また、図１０の横軸は第３のｐ型透明導電層１９の膜厚（ｎｍ）であり、縦軸は活性層１４の平均Ｚｎ濃度（atoms/cm3）である。また、縦軸は対数表示である。
図１０に示されているように、第３のｐ型透明導電層１９の膜厚が１５００ｎｍ以上の領域においては、活性層１４の平均Ｚｎ濃度の変動がほとんど無いことが判った。また、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度の増加に伴い、活性層１４の平均Ｚｎ濃度も増加することが判った。更に、第３のｐ型透明導電層１９の膜厚約３０００ｎｍ以上の領域においては、活性層１４の平均Ｚｎ濃度が２×１０16〜４×１０16atoms/cm3の最適範囲内にあることが判った。かかる分析結果から、第３のｐ型透明導電層１９の膜厚を３０００ｎｍ以上にすることで、活性層１４の平均Ｚｎ濃度を最適範囲内で容易に制御できることが判った。なお、第３のｐ型透明導電層１９の成長時間及び結晶性の観点から、第３のｐ型透明導電層１９の膜厚は１００００ｎｍ以下であることが好ましい。
図１１は、上述した分析結果と比較するために、上述した従来の構造において、ｐ型透明導電層の平均Ｚｎ濃度が１×１０18及び３×１０18atoms/cm3（２種類）、ｐ型透明導電層の膜厚が０、１５００、６０００、１００００ｎｍ（４種類）の合計８種類のサンプルを製造し、ＳＩＭＳ分析により活性層中のＺｎ濃度を測定した分析結果である。なお、図１１の横軸はｐ型透明導電層の膜厚（ｎｍ）であり、縦軸は活性層の平均Ｚｎ濃度（atoms/cm3）である。また、横軸及び縦軸は対数表示である。
図１１に示されているように、ｐ型透明導電層の膜厚の増加に伴い、活性層の平均Ｚｎ濃度も増加することが判った。すなわち、活性層の平均Ｚｎ濃度は、ｐ型透明導電層の膜厚に依存していることが判った。また、ｐ型透明導電層の膜厚は、成長温度及び成長時間によって制御できるため、活性層の平均Ｚｎ濃度は、ｐ型透明導電層の成長温度及び成長時間に依存すると考えられる。更に、活性層の平均Ｚｎ濃度が２×１０16〜４×１０16atoms/cm3となるには、ｐ型透明導電層の膜厚を７０００ｎｍ以上（ｐ型透明導電層の平均Ｚｎ濃度が１×１０18atoms/cm3の場合）又は３０００〜８０００ｎｍ（ｐ型透明導電層の平均Ｚｎ濃度が３×１０18atoms/cm3の場合）にする必要があることが判った。
図９乃至図１１を比較すれば、本実施例のような３層構造のｐ型透明導電層を用いることで、第２の透明導電層１８及び第３の透明導電層１９の膜厚を変化させた場合においても、活性層１４の平均Ｚｎ濃度の変動がほとんどなくなることが判った。すなわち、本実施例のような構造によって、第２の透明導電層１８及び第３の透明導電層１９の成長時間及び成長温度に関係なく、活性層１４の平均Ｚｎ濃度を容易に制御できることが判った。すなわち、半導体発光装置１０の発光効率のばらつきを低減し、且つ、再現性の向上に繋がることが判った。
次に、上述した製造方法を用いて、ｐ型中間層１６の膜厚が０、２０、８０、１００、２００ｎｍである５種類のサンプルについて順方向電圧（Ｖｆ）を測定した。かかる測定結果を図１２に示す。なお、その他のパラメータ（他の半導体層の膜厚、不純物濃度）は上述した製造方法における設定値と同じである。また、図１２の横軸はｐ型中間層１６の膜厚（ｎｍ）であり、縦軸はサンプルの順方向電圧（Ｖ）である。
図１２に示されているように、ｐ型中間層１６の膜厚が２０ｎｍ以上の領域においては、順方向電圧はほぼ一定であることが判った。また、ｐ型中間層１６の膜厚が２０ｎｍ未満の領域においては、順方向電圧が急峻に増加することが判った。すなわち、ｐ型中間層１６の膜厚を２０ｎｍ以上にすれば、半導体発光装置１０の順方向電圧の低減効果があることが判った。また、拡散制御層４０がＺｎの拡散源にならないようにする（すなわち、膜厚を１００ｎｍ以下にする）ために、ｐ型中間層１６の膜厚は１００ｎｍ未満にする必要があることが判った。例えば、ｐ型中間層１６の膜厚を９９ｎｍとし、第１のｐ型透明導電層１７の膜厚を１ｎｍとすることができる。また、ｐ型中間層１６の膜厚を２０ｎｍ以上にすること、及び、拡散制御層４０を１００ｎｍ以下にすることから、第１のｐ型透明導電層１７の膜厚は８０ｎｍ以下にする必要があることが判った。
次に、上述した製造方法を用いて、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が５×１０17、１×１０18及び１×１０19atoms/cm3である３種類のサンプルについて順方向電圧（Ｖｆ）を測定した。かかる測定結果を図１３に示す。なお、その他のパラメータ（他の半導体層の膜厚、不純物濃度）は上述した製造方法における設定値と同じである。また、図１３の横軸は第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度（atoms/cm3）であり、縦軸はサンプルの順方向電圧（Ｖ）である。
図１３に示されているように、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が１×１０18〜１×１０19atoms/cm3の領域においては、順方向電圧の変動がほとんど無いことが判った。また、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が１×１０18atoms/cm3未満の領域においては、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度の増加ととともに、順方向電圧が急峻に減少していることが判った。これにより、半導体発光装置の順方向電圧の観点において、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度を１×１０18atoms/cm3以上にする必要があることが判った。
次に、上述した製造方法を用いて、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度が５×１０17、８×１０17及び１×１０18atoms/cm3である３種類のサンプルについて順方向電圧（Ｖｆ）を測定した。かかる測定結果を図１４に示す。なお、その他のパラメータ（他の半導体層の膜厚、不純物濃度）は上述した製造方法における設定値と同じである。また、図１４の横軸は第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度（atoms/cm3）であり、縦軸はサンプルの順方向電圧（Ｖ）である。
図１４に示されているように、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度が７×１０17atoms/cm3以上の領域においては、順方向電圧の変動がほとんど無いことが判った。また、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度が７×１０17atoms/cm3未満の領域においては、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度の増加ととともに、順方向電圧が急峻に減少していることが判った。これにより、半導体発光装置の順方向電圧の観点においては、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度を７×１０17atoms/cm3以上にする必要があることが判った。
次に、上述した製造方法において、第１のｐ型透明導電層１７、第２のｐ型透明導電層１８、第３のｐ型透明導電層１９の成長温度を８２０℃、８３０℃、８４０℃に設定した状態で製造されたサンプルについて、ＳＩＭＳ分析を行い、活性層１４のＺｎ濃度を測定した。かかる測定の分析結果を図１５に示す。なお、その他のパラメータ（他の半導体層の膜厚、不純物濃度）は上述した製造方法における設定値と同じである。また、図１５の横軸は成長温度であり、縦軸は活性層１４の平均Ｚｎ濃度（atoms/cm3）である。また、縦軸は対数表示である。図１５に示されているように、本実施例のような半導体発光装置１０においては、成長温度を変更しても、活性層１４の平均Ｚｎ濃度は変化しないことが確認できた。
以上の実験結果により、ｐ型中間層１６の膜厚を２０ｎｍ以上１００ｎｍ未満、第１のｐ型透明導電層１７の膜厚を８０ｎｍ以下、第２のｐ型透明導電層１８の膜厚を２００ｎｍ〜１０００ｎｍ、第３のｐ型透明導電層１９の膜厚を３μｍ〜１０μｍにする必要があることが判った。また、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度を１×１０18〜１×１０19、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度を７×１０17〜１×１０18、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度を１×１０18〜３×１０18にする必要があることが判った。但し、第１のｐ型透明導電層１７の平均Ｚｎ濃度が１×１０19であり、且つ、第３のｐ型透明導電層１９の平均Ｚｎ濃度が３×１０18である場合には、第２のｐ型透明導電層１８の平均Ｚｎ濃度を８×１０17以下にする必要があることが判った。更に、ｐ型中間層１６の平均Ｚｎ濃度は、活性層１４のＺｎ濃度にほとんど寄与しないので、ｐ型中間層１６の平均Ｚｎ濃度を１×１０17〜１×１０19にすることができる。これらのことから、拡散制御層４０の平均Ｚｎ濃度は、１×１０18以上にすることが望ましい。
以上のように、本発明の半導体発光装置は、第１のクラッド層とともに活性層を挟む第２のクラッド層の上に、中間層、第１の透明導電層、第２の透明導電層及び第２の透明導電層よりも高い不純物濃度を有する第３の透明導電層を順次積層した構造を有している。中間層と第１の透明導電層とは、第２の透明導電層及び第３の透明導電層から拡散する不純物量を制御する拡散制御層を構成し、拡散制御層は第２の透明導電層の不純物濃度よりも高い不純物濃度及び格子不整合界面を有している。
このような拡散制御層並びに拡散制御層の上に不純物の拡散源となる第２及び第３の透明導電層を有することにより、順方向電圧の低減を図るとともに第２及び第３の透明導電層からの不純物の拡散を制御することができるため、高輝度、且つ、高い信頼性を備える半導体発光装置を提供することができる。
また、本発明の半導体発光装置の製造方法は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層及びＺｎがドープされたｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を成長する工程と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層の上に、Ｚｎがドープされ且つ２０ｎｍ以上の膜厚を備えるｐ型ＡｌＧａＩｎＰ中間層及びＺｎがドープされたＧａＩｎＰからなる第１の透明導電層を順次積層して、１００ｎｍ以下の合計膜厚を備える拡散制御層を成長する工程と、拡散制御層の上に、拡散制御層より低い濃度でＺｎがドープされたＧａＩｎＰからなる第２の透明導電層を成長する工程と、第２の透明導電層の上に、第２の透明導電層より高い濃度でＺｎがドープされたＧａＩｎＰからなる第３の透明導電層を成長する工程と、を有している。
このような、拡散制御層の膜厚制御及び各透明導電層におけるＺｎのドープ制御により、高輝度、且つ、高い信頼性を備える半導体発光装置を製造することができる。
実施例１においては、成長用基板として用いたｎ型ＧａＡｓ基板１１を半導体発光装置の構成部材として残していたが、ｎ型ＧａＡｓ基板１１を除去し、異なる支持基板に複数の半導体層からなる積層構造体を貼り合わせても良い。このような場合の半導体発光装置及びその製造方法を実施例２とし、図１６乃至２３を参照しつつ、以下に説明する。
先ず、ホウ素（Ｂ）が添加されたシリコン（Ｓｉ）からなる支持基板２０１が準備される（図１６（ａ））。次に、電子線加熱蒸着法によって支持基板２０１の両面に、金属層として第１の白金（Ｐｔ）層２０２及び第２のＰｔ層２０３が形成される（図１６（ｂ））。なお、支持基板２０１は、シリコンだけでなく、ＧａＰ、石英ガラス、サファイアであっても良い。
次に、電子線加熱蒸着法によって第２のＰｔ層２０３の上に、チタン（Ｔｉ）層２０４が形成される。更に、電子線加熱蒸着法によってＴｉ層２０４の上に、第１のニッケル（Ｎｉ）層２０５が形成される（図１６（ｃ））。
次に、電子線加熱蒸着法によって第１のＮｉ層２０５の上にＡｕＳｎ半田層２０６が形成される（図１６（ｄ））。ＡｕＳｎ半田層２０６のＡｕとＳｎとの組成比は、重量比で約８：２、原子数比で約７：３である。本実施例においては、第１のＮｉ層２０５とＡｕＳｎ半田層２０６とから第１の接合金属層２０９が形成されている。本工程の終了により、支持体部２１０の形成が完了する。
次に、成長用基板としてｎ型ＧａＡｓ基板１１が準備される（図１７（ａ））。続いて、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の上にＭＯＣＶＤにより、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５、ｐ型中間層１６、第１のｐ型透明導電層１７、第２のｐ型透明導電層１８、第３のｐ型透明導電層１９及びｐ型コンタクト層２０が順次積層され、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に半導体成長層２１４が形成される（図１７（ｂ）、図１８）。
図１８は、図１７（ｂ）の破線領域３００の拡大図である。ここで、半導体成長層２１４は、実施例１の構造（図１参照）と同一であり、実施例１と同様の方法でｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に形成されるので、その説明は省略する。
次に、スパッタリングにより、半導体成長層２１４の上に反射電極層として金−亜鉛（ＡｕＺｎ）層２１５が堆積される（図１７（ｃ））。ＡｕＺｎ層２１５は、半導体成長層２１４において発生した光を光取り出し面側に反射する。これにより、半導体発光装置の光取り出し効率を向上させることができる。
次に、反応性スパッタリングにより、ＡｕＺｎ層２１５の上に第１の窒化タンタル（ＴａＮ）層２１６が形成される。続いて、反応性スパッタリングにより、第１のＴａＮ層２１６の上にチタン−タングステン（ＴｉＷ）層２１７が形成される。更に、反応性スパッタリングにより、ＴｉＷ層２１７の上に第２のＴａＮ層２１８が形成される（図１７（ｄ））。第１のＴａＮ層２１６、ＴｉＷ層２１７及び、第２のＴａＮ層２１８は、接合部材（共晶材料）が拡散によってＡｕＺｎ層２１５に侵入すること防止する
次に、電子線加熱蒸着法によって第２のＴａＮ層２１８の上に、第２のＮｉ層２１９が形成される。更に、電子線加熱蒸着法によって第２のＮｉ層２１９の上に、Ａｕ層２２０が形成される（図１７（ｅ））。本実施例においては、第２のＮｉ層２１９とＡｕ層２２０とから第２の接合金属層２２１が形成されている。本工程の終了により、発光体部２３０の形成が完了する。
次に、電子線加熱蒸着法によって第２のＴａＮ層２１８の上に、第２のＮｉ層２１９が形成される。更に、電子線加熱蒸着法によって第２のＮｉ層２１９の上に、Ａｕ層２２０が形成される（図１７（ｅ））。本実施例においては、第２のＮｉ層２１９とＡｕ層２２０とから第２の接合金属層２２１が形成されている。本工程の終了により、発光体部２３０の形成が完了する。
次に、支持体部２１０のＡｕＳｎ半田層２０６と、発光体部２３０のＡｕ層２２０と、が対向した状態で、支持体部２１０及び発光体部２３０が密着される。その後、密着した支持体部２１０及び発光体部２３０が窒素雰囲気下で熱圧着される（図１９）。熱圧着の条件は、例えば、圧力が約１メガパスカル（ＭＰａ）、温度が約３４０℃、圧着時間が約１０分間である。この熱圧着によって、ＡｕＳｎ半田層２０６が溶融し、第２のＮｉ層２１９及びＡｕ層２２０が、溶融しているＡｕＳｎ半田層２０６に溶解する。更に、ＡｕＳｎ半田層２０６のＡｕ及びＳｎ並びにＡｕ層２２０のＡｕが、第１のＮｉ層２０５及び第２のＮｉ層２１９に拡散して吸収される。更に、溶融したＡｕＳｎ半田層２０６が固化することにより、ＡｕＳｎＮｉからなる接合層２３１が形成される。これにより支持体部２１０と発光体部２３０とが接合され、接合体２４０が形成される（図２０）。
次に、アンモニア水と過酸化水素水との混合液を用いたウエットエッチングにより、接合体２４０からｎ型ＧａＡｓ基板１１が除去される。ｎ型ＧａＡｓ基板１１が除去されることにより、半導体成長層２１４の表面が露出する（図２１）。なお、ｎ型ＧａＡｓ基板１１の除去は、ドライエッチング、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing）、機械的研削など、又はこれらを組み合わせた方法によって行われても良い。
次に、半導体成長層２１４の上にレジストが塗布される。塗布されたレジストが所望の電極パターンになるように、パターンニングが施される。パターンニングされたレジストの開口部分に、電子線加熱蒸着法によって金・ゲルマニウム・ ニッケル（ＡｕＧｅＮｉ）が蒸着される。その後に、レジストを除去すること（リフトオフ法）で、所望の形状のＡｕＧｅＮｉが形成される。更に、ＡｕＧｅＮｉ及び接合体２４０に対して、窒素雰囲気下で約４００℃の加熱処理が施される。これによってＡｕＧｅＮｉと半導体成長層２１４との合金化が図られ、半導体成長層２１４とオーミック接合した外部接続電極２３２が形成される。本工程の終了により、半導体発光装置２００が完成する（図２２）。
図２２の破線領域４００の拡大図を図２３に示す。図２３に示されているように、ＡｕＺｎ層２１５の上にｐ型コンタクト層２０、第３のｐ型透明導電層１９、第２のｐ型透明導電層１８、第１のｐ型透明導電層１７、ｐ型中間層１６、ｐ型クラッド層１５、活性層１４及びｎ型クラッド層１３がこの順序で積層されている。
本実施例における製造方法によって製造される半導体発光装置２００について、実施例１と同一の実験（活性層１４のＺｎ濃度の調査及び順方向電圧の調査）を実施したが、本実施例における半導体発光装置２００においても実施例１と同一の効果が得られた。これは、貼り合わせ工程前におけるｎ型ＧａＡｓ基板１１の上に半導体成長層２１４を形成する方法が、実施例１と同一だからである。すなわち、半導体成長層２１４の形成後に、ｎ型ＧａＡｓ基板１１を除去する工程及び新たな支持基板（半導体基板）に貼り合わせる工程を経由しても、高輝度、且つ、高い信頼性を有する半導体発光装置を製造することができる。
１０ 半導体発光装置
１１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型バッファ層
１３ ｎ型クラッド層
１４ 活性層
１５ ｐ型クラッド層
１６ ｐ型中間層
１７ 第１のｐ型透明導電層
１８ 第２のｐ型透明導電層
１９ 第３のｐ型透明導電層
２０ ｐ型コンタクト層
２１ ｎ型電極
２２ ｐ型電極
３１ アンドープ活性層
４０ 拡散制御層
１１ ｎ型ＧａＡｓ基板
１２ ｎ型バッファ層
１３ ｎ型クラッド層
１４ 活性層
１５ ｐ型クラッド層
１６ ｐ型中間層
１７ 第１のｐ型透明導電層
１８ 第２のｐ型透明導電層
１９ 第３のｐ型透明導電層
２０ ｐ型コンタクト層
２１ ｎ型電極
２２ ｐ型電極
３１ アンドープ活性層
４０ 拡散制御層
Claims (9)
- 第１導電型の第１のクラッド層と、
第２導電型の第２のクラッド層と、
前記第１のクラッド層と前記第２のクラッド層との間に形成された第２導電型の活性層と、
前記第２のクラッド層の上に前記第１のクラッド層と格子整合する前記第２導電型の中間層及び前記第２導電型の第１の透明導電層を順次積層して形成された拡散制御層と、
前記拡散制御層の上に形成され、前記拡散制御層よりも低い不純物濃度を有する前記第２導電型の第２の透明導電層と、
前記第２の透明導電層の上に形成され、前記第２の透明導電層よりも高い不純物濃度を有する前記第２導電型の第３の透明導電層と、からなり、
前記中間層と前記第１の透明導電層との界面が格子不整合界面であることを特徴とする半導体発光装置。 - 前記第２導電型として用いられる不純物はＺｎであり、前記第１のクラッド層、前記第２のクラッド層及び前記活性層はＡｌＧａＩｎＰからなり、前記中間層の組成は、（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（0.3≦ｘ≦1、0＜ｙ≦1）であり、前記第１の透明導電層、前記第２の透明導電層及び前記第３の透明導電層の組成はＧａxＩｎ1-xＰ（0＜ｘ≦1）であり、前記拡散制御層の膜厚は１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光装置。
- 前記拡散制御層の平均Ｚｎ濃度は、１×１０18atoms/cm3以上であることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光装置。
- 前記第１の透明導電層、前記第２の透明導電層及び前記第３の透明導電層のＩｎ組成が３％〜１０％であることを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体発光装置。
- 前記活性層の平均Ｚｎ濃度は、２×１０16〜４×１０16atoms/cm3であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１に記載の半導体発光装置。
- 前記第１の透明導電層のＺｎ濃度は１×１０18〜１×１０19atoms/cm3であり、前記第２の透明導電層のＺｎ濃度は７×１０17〜１×１０18atoms/cm3であり、前記第３の透明導電層のＺｎ濃度は１×１０18〜３×１０18atoms/cm3であることを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１に記載の半導体発光装置。
- 前記第２の透明導電層のＺｎ濃度は８×１０17atoms/cm3以下であることを特徴とする請求項６に記載の半導体発光装置。
- 前記第１の透明導電層の膜厚は８０ｎｍ以下であり、前記第２の透明導電層の膜厚は２００ｎｍ〜１０００ｎｍであり、前記第３の透明導電層の膜厚は３μｍ〜１０μｍであることを特徴とする請求項２乃至７のいずれか１に記載の半導体発光装置。
- ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層及びＺｎがドープされたｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を成長する工程と、
前記ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層の上に、Ｚｎがドープされ且つ２０ｎｍ以上の膜厚を備えるｐ型ＡｌＧａＩｎＰ中間層及びＺｎがドープされたＧａＩｎＰからなる第１の透明導電層を順次積層して、１００ｎｍ以下の合計膜厚を備える拡散制御層を成長する工程と、
前記拡散制御層の上に、前記拡散制御層より低い濃度でＺｎがドープされたＧａＩｎＰからなる第２の透明導電層を成長する工程と、
前記第２の透明導電層の上に、前記第２の透明導電層より高い濃度でＺｎがドープされたＧａＩｎＰからなる第３の透明導電層を成長する工程と、を有することを特徴とする半導体発光装置の製造方法。
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