JP2012104740A - 半導体発光装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【目的】
平坦性及び結晶品質に優れた結晶層を有し、高出力、高効率で信頼性に優れた半導体発光素子及びその製造方法を提供する。
【解決手段】
ＧａＡｓ基板上に形成された、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，Ｘ≧０．３）からなり起伏を有する第１導電型クラッド層と、上記第１導電型クラッド層上に形成された、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，０≦Ｘ≦０．１５）からなる第１緩和層及びＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，Ｘ≧０．３５）からなる第２緩和層が交互に積層された多層緩和層と、上記多層緩和層上に形成された活性層と、上記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光装置及びその製造方法に関し、特に、ＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオード（ＬＥＤ）及びその製造方法に関する。

基板上に半導体層を積層して半導体装置を製造する場合、高品質な半導体層を形成することが重要である。特に、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）や半導体レーザ（ＬＤ：Laser Diode）などの半導体発光素子を製造する場合には、平坦で結晶欠陥の少ない高品質な半導体層を形成することが極めて重要である。

すなわち、高出力、高効率で信頼性に優れた半導体素子を製造するためには、半導体素子を構成する半導体層の平坦性、組成均質性、半導体層間の界面急峻性、結晶の高品質性（低結晶欠陥）が求められる。

従来、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法を用いてＧａＡｓ基板上に成長したＡｌＧａＩｎＰ系の活性層（発光層）の平坦化に関し、基板上に超格子構造の多層膜を成長して活性層のヘテロ界面の凹凸を小さくし、発振閾値電流を低減した半導体レーザについて開示されている（例えば、特許文献１）。

特開平０６−２６０７２０号公報

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、その目的は、平坦性及び結晶品質に優れた結晶層を有し、高出力、高効率で信頼性に優れた半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。

本発明の発光素子は、ＧａＡｓ結晶の基板上にＭＯＣＶＤ法により活性層を含む発光デバイス層を成長した発光素子であって、
上記基板上に形成された、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，Ｘ≧０．３）からなり起伏を有する第１導電型クラッド層と、
上記第１導電型クラッド層上に形成された、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，０≦Ｘ≦０．１５）からなる第１緩和層及びＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，Ｘ≧０．３５）からなる第２緩和層が交互に積層された多層緩和層と、
上記多層緩和層上に形成された活性層と、
上記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、を有することを特徴としている。

実施例１による発光デバイス層を有する発光デバイス層付き基板を製造する方法を示す断面図である。 図１のｎ−クラッド層及びｎ型多層緩和層の界面領域Ｗを拡大して示す部分拡大図である。 比較例の発光デバイス層付き基板の構成を模式的に示す断面図である。 実施例１によるデバイス層付き基板のｐ−クラッド層表面のＡＦＭ像である。 実施例１の多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層の断面ＴＥＭ像である。 比較例のｐ−クラッド層表面のＡＦＭ像である。 比較例のｎ−クラッド層及びＭＱＷ活性層の界面近傍の断面ＴＥＭ像である。 比較例のＭＱＷ活性層の拡大した断面ＴＥＭ像である。 実施例１のデバイス層付き基板を用いて作製した支持基板貼合せタイプのＬＥＤの構造を模式的に示す断面図である。 接合層を形成した貼合せ用支持基板の構造を模式的に示す断面図である。 実施例１のＬＥＤ及び比較例のＬＥＤ（サンプル＃１，＃２）の発光スペクトルを示す図である。 実施例１における、第１緩和層の合計層厚に対するＬＥＤの相対発光強度をプロットして示す図である。 実施例２によるＬＥＤデバイス層付き基板の構成を示す断面図である。 （ａ）は実施例２のＭＱＷ活性層の近傍（多層緩和層ないしｐ−クラッド層）の断面ＴＥＭ像、（ｂ）は活性層の一部を拡大した断面ＴＥＭ像である。 実施例２のＬＥＤデバイス層付き基板のＰＬスペクトル（実線）及び実施例１のＬＥＤデバイス層付き基板のＰＬスペクトル（破線）を規格化して示している。

以下においては、ＭＯＣＶＤ法を用いて、ＧａＡｓ基板上に第１導電型のクラッド層、多層緩和層、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体の活性層、第２導電型のクラッド層を含む半導体積層構造体を形成した半導体発光素子及びその製造方法について図面を参照して詳細に説明する。また、当該半導体発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）を形成した場合を例に説明する。しかしながら、上記半導体発光素子はＬＥＤに限らず、例えば半導体レーザ（ＬＤ）であってもよい。また発光素子に代わって、種々のデバイス（素子）を形成する場合にも適宜、適用することができる。 また、半導体層の導電型（ｐ型、ｎ型）、キャリア濃度、組成、層厚等は例示であり、特に示さない限り、適宜改変して適用することができる。なお、以下に説明する図において、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符を付して説明する。

図１は、実施例１による発光素子層（以下、発光デバイス層ともいう。）を有する化合物半導体層を製造する方法を示す断面図である。当該化合物半導体層はＭＯＣＶＤ法により形成した。なお、上述のように、当該発光素子が発光ダイオード（ＬＥＤ）である場合を例に説明する。

図１に示すように、シリコン（Ｓｉ）がドープされたＧａＡｓ基板１１上に、ＳｉドープＧａＡｓ緩衝（バッファ）層１２を２００ｎｍ（ナノメートル）の層厚で堆積後、第１導電型（本実施例においては、ｎ型）のクラッド層１４を成長した。ＧａＡｓ基板１１は、（１００）面が [０１１］方向に１５°傾いた基板、いわゆる１５°オフ基板を用いた。また、当該ｎ−クラッド層１４は、Ｓｉドープの、（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層（すなわち、Ａｌ_０．３５Ｇａ_０．１５Ｉｎ_０．５Ｐ層）であり、層厚は３μｍ、キャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3であった。

次に、ｎ−クラッド層１４上に、ｎ型多層緩和層１５を成長した。図２は、ｎ−クラッド層１４及びｎ型多層緩和層１５の界面領域Ｗを拡大して示す部分拡大図である。図２に模式的に示すように、ｎ型多層緩和層１５は、ｎ型の第１緩和層１５Ａ及びｎ型の第２緩和層１５Ｂを交互に３０ペア形成した多層構造からなる。第１緩和層１５ＡはＳｉドープＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐであり、層厚は３ｎｍ、キャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。第２緩和層１５ＢはＳｉドープＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐであり、層厚は２０ｎｍ、キャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。なお、図２は、ｎ−クラッド層１４の表面が、深さＤの凹凸又は起伏（アンデュレーション）を有するように形成され、ｎ−クラッド層１４上へのｎ型多層緩和層１５（第１緩和層１５Ａ及び第２緩和層１５Ｂ）の成長によってその起伏が緩和されていく様子を模式的に示している。

次に、ｎ型多層緩和層１５上に活性層１６を成長した。活性層１６は量子井戸構造層及び後述する閉じ込め層を有している。量子井戸構造（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）層は、アンドープＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐの量子井戸（ウエル）層１６Ａ（層厚：５ｎｍ）及びアンドープ（Ａｌ_０．５６Ｇａ_０．４４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの障壁（バリア）層１６Ｂ（層厚：１０ｎｍ）から構成されている。なお、１８層の量子井戸層を有している。また、量子井戸構造層の両側にはアンドープ（Ａｌ_０．５６Ｇａ_０．４４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの閉じ込め層が設けられている。

活性層１６上には、第２導電型（本実施例においては、ｐ型）のクラッド層１７を成長した。当該ｐ−クラッド層１７は、Ｚｎドープの（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層（すなわち、Ａｌ_０．３５Ｇａ_０．１５Ｉｎ_０．５Ｐ層）であり、層厚は１μｍ、キャリア濃度は３×１０¹⁷ｃｍ^-3である。そして、ｐ−クラッド層１７上には、ｐ−クラッド層１７と後述する拡散層との中間のバンドギャップを有するＺｎドープ（Ａｌ_０．５６Ｇａ_０．４４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ中間層１８を成長した。中間層１８は、層厚が２０ｎｍ、キャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3である。中間層１８上には、ＧａＰからなるｐ型透明拡散層１９を成長した。ｐ型透明拡散層１９は、層厚が１μｍ、キャリア濃度は３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。なお、上記した結晶層は７３０℃の成長温度で形成した。

上記プロセスにより、ｎ−クラッド層１４、ｎ型多層緩和層１５、量子井戸活性層１６、ｐ−クラッド層１７、中間層１８及びｐ型透明拡散層１９からなる発光デバイス層（すなわち、ＬＥＤデバイス層）２０ＡがＧａＡｓ基板１１上に成長された発光デバイス層付き基板（以下、発光デバイス層形成ウエハともいう。）２０が形成された。

なお、ＭＯＣＶＤ法による成長においては、V族原料としてＡｓＨ_３（アルシン）、フＰＨ_３（ホスフィン）を、III族原料としてＴＭＧａ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡｌ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）の有機金属材料を用いた。ｎ型のドーパントはＳｉ（シリコン）とし、その原料にはＳｉＨ_４（シラン）を用い、ｐ型のドーパントはＺｎ（亜鉛）とし、その原料にはＤＭＺｎ（ジメチルジンク）を使用した。キャリアガスとしては水素（Ｈ_２）を用い、成長圧力は１０ｋＰａ（キロパスカル）とした。成長原料にはこれら以外の有機金属材料を用いてもよい。例えば、ＡｓＨ_３に代えてＴＢＡｓ（ターシャルブチルアルシン）を、ジメチルジンクに代えてＣｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を用いてもよい。

［比較例］
上記実施例１と比較のため、比較例として発光デバイス層付き基板２００を形成した。当該比較例の層構造は多層緩和層１５を形成していない点を除いて実施例１と同じであった。また、成長条件、層厚及びキャリア濃度等も実施例１と同じである。

具体的には、図３に示すように、ＳｉドープＧａＡｓ基板１１１上に、ＳｉドープＧａＡｓ緩衝（バッファ）層１１２を堆積後、Ｓｉドープ（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層（ｎ−クラッド層）１１４、１８層のアンドープＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐの量子井戸層及びアンドープ（Ａｌ_０．５６Ｇａ_０．４４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ障壁層からなる量子井戸構造層及び量子井戸構造層の両側に設けられたアンドープ（Ａｌ_０．５６Ｇａ_０．４４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの閉じ込め層から構成された量子井戸活性層１１６、Ｚｎドープ（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐクラッド層（ｐ−クラッド層）１１７、Ｚｎドープ（Ａｌ_０．５６Ｇａ_０．４４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ中間層１１８及びｐ−ＧａＰ透明拡散層１１９を順次成長した。

［実施例１及び比較例の結晶成長層の評価］
図４、５は、実施例１のデバイス層付き基板２０のＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）像、断面ＴＥＭ（Transmission Electron Microscopy：透過型電子顕微鏡）像を示している。より詳細には、図４は、デバイス層付き基板２０のｐ型透明拡散層１９及びｐ型中間層１８をエッチングによって除去した後のｐ−クラッド層１７表面のＡＦＭ像（観察エリア：１０μｍ^２）である。また、図５は、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１６の断面ＴＥＭ像を示している。

また、図６−図８は、上記した比較例のデバイス層付き基板２００のＡＦＭ像、断面ＴＥＭ像を示している。より詳細には、図６は、デバイス層付き基板２００のｐ型透明拡散層１１９及びｐ型中間層１１８をエッチングによって除去した後のｐ−クラッド層１１７表面のＡＦＭ像（観察エリア：１０μｍ^２）である。表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａ＝６．８ｎｍと表面の凹凸（又は起伏）が大きいことが確認された。

図７は、比較例のｎ−クラッド層１１４及びＭＱＷ活性層１１６の界面近傍の断面ＴＥＭ像である。層厚が３μｍのｎ−クラッド層１１４の表面（すなわち、ＭＱＷ活性層１１６との界面）には起伏が存在し、その表面形状（起伏）に応じて、図６に示すようなｐ−クラッド層１７表面の凹凸（又は起伏）が生じていることが確認できた。ｎ−クラッド層１１４の起伏の断面での深さ（Ｄ）は、数ｎｍ〜１０ｎｍ程度であり、断面での幅は大きいもので数１００ｎｍ程度に及ぶものである。さらに、図８は、ＭＱＷ活性層１１６の拡大した断面ＴＥＭ像である。量子井戸（ウエル）層の設計層厚は３ｎｍであるが、この断面ＴＥＭ像に示されているように、下地であるｎ−クラッド層１１４の起伏の影響によって成長面内におけるウエル層やバリア層の層厚が均一ではなく、うねっていることが分かる。

一方、図４のＡＦＭ像に示すように、多層緩和層１５を有する実施例１のデバイス層付き基板２０においては、ｐ−クラッド層１７の表面粗さ（算術平均粗さ）Ｒａ＝０．９３ｎｍと表面の起伏が極めて抑制されていることが確認された。

尚、実施例１のｎ−クラッド層１４表面においても、比較例と同様、断面での深さが数ｎｍ〜１０ｎｍ程度の起伏が生じていた。また、上記実施例１及び比較例においては、（１００）から [０１１］方向に１５°傾斜したＧａＡｓ基板を用いたが、ｎ−クラッド層表面の起伏は（１００）から [０１１］方向に１０〜２０°傾斜している場合に確認できた。

また、図５は、ＭＱＷ活性層１６の断面ＴＥＭ像であるが、比較例の場合と異なり、平坦で層厚が均一なＭＱＷ活性層（ウエル層、バリア層）が形成されていることが確認された。

［実施例１及び比較例のデバイス構造］
デバイス層付き基板２０及び比較例のデバイス層付き基板２００を用いてＬＥＤを作製し、デバイス評価を行った。図９は、実施例１のデバイス層付き基板２０を用いて作製したＬＥＤ３０の構造を模式的に示す断面図である。

ＬＥＤ３０は、支持基板（例えば、Ｓｉ基板や金属基板）に接合層を形成して、デバイス層付き基板と貼り合わせ、その後、デバイス層付き基板の成長用基板（本実施例の場合では、ＧａＡｓ基板）を除去して形成される支持基板貼合せタイプのＬＥＤである。かかるＬＥＤ３０の構造及び製造方法について、図９及び図１０を参照して説明する。

まず、デバイス層付き基板２０の透明拡散層１９上に絶縁層２３を堆積し、その後、絶縁層２３の一部を除去してパターニングされた絶縁層２３を形成する。次に、反射電極層２４、バリア金属層２５、接合層２６を順次堆積する。一方、図１０に示すように、導電性の支持基板３１の表面及び裏面にオーミック金属層３３，３２をそれぞれ形成し、オーミック金属層３３上に密着金属層３４、接合層３５を順次堆積した支持基板体３６を準備する。次に、デバイス層付き基板２０の接合層２６と支持基板体３６の接合層３５を窒素雰囲気下で加熱・加圧により貼り合わせる。その後、成長用基板（ＧａＡｓ基板）１１をエッチングにより除去し、ｎ−クラッド層１４上にｎ型（第１導電型）ショットキー電極３８Ａ及びｎ型（第１導電型）オーミック電極３８Ｂを形成する。このようにして、ＬＥＤ３０を形成した。なお、ＬＥＤ３０は電極３８Ａ及び３８Ｂが形成されたｎ−クラッド層１４側を光取り出し面とするＬＥＤである。

ここで導電性の支持基板３１にはＳｉ基板、オーミック金属層３３，３２にはＰｔ（白金）、密着金属層３４にはＡｕＳｎ（金・スズ）、接合層２６及び接合層３５にはＮｉ／Ａｕ（ニッケル／金）、バリア金属層２５にはＴａＮ／ＴｉＷ／ＴａＮ（Ｔａ：タンタル、Ｗ：タングステン）、反射電極層２４にはＡｕＳｎ（金・亜鉛）、絶縁層２３にはＳｉＯ_２（二酸化シリコン）、ショットキー電極３８ＡにはＴａ／ＴｉＷＮ／Ｔａ／Ａｕ、オーミック金属層３２，３３にはＡｕＧｅＮｉ／ＴａＮ／Ｔａ／Ａｕを使用した。

また、比較例のデバイス層付き基板２００を用いてＬＥＤを製造したが、その製造方法は実施例１のデバイス層付き基板２０を用いた製造方法と同じであった。なお、上記したように、当該比較例のデバイス構造は多層緩和層１５を形成していない点を除いて実施例１のデバイス構造と同じであった。

［実施例１及び比較例のデバイス評価］
図１１は、実施例１のＬＥＤ３０及び比較例のＬＥＤの発光スペクトルを示している。図に示されるように、実施例１のＬＥＤの発光スペクトル（実線）はそのスペクトル幅も狭く、また発光強度も大きい。実施例１のＬＥＤについて、１００個以上のサンプルの発光スペクトルを評価したが、発光スペクトル幅、発光波長、発光強度のばらつきは極めて小さく、良好な特性を有するＬＥＤを均一性良く製造できることが確認された。

一方、図中、比較例＃１，＃２（破線）は比較例のＬＥＤサンプルの発光スペクトルの典型的な２つの例を示している。すなわち、比較例のＬＥＤのサンプルでは、多くが比較例＃１又は＃２、あるいはこれらの中間の発光特性を呈した。比較例＃１のサンプルでは、実施例１のＬＥＤの発光スペクトルに比較して、発光スペクトル波長が長波長側にシフトしており、また、発光スペクトル幅もブロードであり、発光強度も小さくなっている。上記したように、実施例１及び比較例のＬＥＤはＭＱＷ活性層を有している。比較例＃１の発光スペクトルから、量子井戸層の層厚が成長面内で不均一となっており、量子準位エネルギーが面内で揺らいでいることを示している。また、量子井戸層と障壁層間の界面の急峻性も実施例１のＬＥＤに比較して劣っていることが示唆される。さらに、比較例＃２のサンプルでは、発光スペクトル波長が長波長側にシフトした２つのピークが見られ、量子井戸層の層厚が成長面内で異なる２つの領域からなっていることが分かる。このように、比較例＃１及び＃２の発光スペクトルに示すように、比較例のＬＥＤでは、発光スペクトルの長波長側へのシフト、発光スペクトル幅の拡大、発光強度の低下が見られた。また、上記した断面ＴＥＭ像の結果も考えると、ｎ−クラッド層１１４の起伏によってｎ−クラッド層１１４上の結晶層にも起伏が生じ、層厚が面内で不均一となっていることが分かった。このような特性異常は、上記したように、ｎ−クラッド層１１４の起伏により量子井戸層・障壁層といったｎｍオーダーの層厚を有する層が成長面内で不均一となるためであるが、量子井戸層の１層の層厚が１０ｎｍ以下の場合に不均一が顕著になることが分かった。層厚が１０ｎｍを超える場合には、下地の起伏をトレースするように成長する。

［ＡｌＧａＩｎＰ系成長層の結晶品質］
発光素子では、クラッド層は活性層よりもバンドギャップが大きいことが求められる。また、キャリア（電子、ホール）のオーバフローの抑制、光閉じ込めなどのため、ＡｌＧａＩｎＰ系の発光素子では、クラッド層にはＡｌ組成の大きなものが要求される。

本発明は、高品質な発光素子の構造及び当該発光素子を製造する方法であって、以下の知見に基づいてなされた。すなわち、ＡｌＧａＩｎＰ系結晶の場合では、Ａｌ組成によって平坦に（すなわち、凹凸又は起伏の生じない）成長するための最適な成長温度が異なる。より詳細には、低Ａｌ組成では平坦成長のための最適成長温度は低く（例えば、７３０℃）、高Ａｌ組成では平坦成長のための最適成長温度は高い（例えば、７６０℃以上）。従って、例えば、高Ａｌ組成が必要とされるＡｌＧａＩｎＰクラッド層が平坦となる最適成長温度で活性層（低Ａｌ組成、又はＡｌを含まない組成）を成長すると活性層に結晶欠陥が導入される。これとは逆に、活性層（低Ａｌ組成）の最適平坦成長温度でクラッド層（高Ａｌ組成）を成長するとクラッド層の起伏が大きくなる。この点について、より詳細に以下に説明する。

なお、上記においては、ＧａＡｓに格子整合するＡｌＧａＩｎＰ系結晶の組成に関して、（Ａｌ_ＱＧａ_１−Ｑ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐのように表記したが、以下においては、一般に、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）のように表記する。すなわち、例えば、ＧａＡｓに格子整合する結晶組成としてＺ＝０．５の場合には、Ａｌ組成ＸはＸ＝０．５−Ｙである。

クラッド層の起伏の原因となる厚膜（２μｍ）のクラッド層の成長条件について検討した。成長温度を高く（７６０℃以上）した場合にはクラッド層の起伏が生じず、成長温度を低く（７３０℃以下）した場合には起伏が生じることを確認した。また、クラッド層の起伏は、クラッド層を構成するＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ結晶のＡｌ組成（Ｘ）によっても異なり、Ａｌ組成（Ｘ）が０．３未満（すなわち、（Ａｌ_ＱＧａ_１−Ｑ）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐの場合では、Ｑ＜０．６）の低Ａｌ組成であれば成長温度が低く（７３０℃以下）ても起伏が生じないことが分かった。さらに、クラッド層の層厚が２μｍ以下の場合には、起伏が生じないことが分かった。

以上の検証の結果、比較的低温下（７３０℃以下）で高Ａｌ組成（Ｘが０．３以上）のクラッド層を厚く（２μｍ以上）成長すると起伏が発生する。かかる現象の原因は、比較的低温下で高Ａｌ組成のＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）を成長すると、結晶表面におけるＡｌのマイグレーション力が低く、その結果、三次元成長が進み、表面の起伏が生じるものと考えられる。一方、成長温度を高くすると、Ａｌはマイグレーションし易くなり平坦成長となるが、上述したように、クラッド層上に成長した層に結晶欠陥が導入される。すなわち、活性層に結晶欠陥が導入され、発光素子の発光特性の低下、素子寿命の劣化の原因となる。

本発明は、かかる知見に基づいてなされ、基板上に成長する高Ａｌ組成（Ｘが０．３以上）の第１導電型クラッド層（本実施例の場合、ｎ−クラッド層）を活性層（低Ａｌ組成又はＡｌを含まない組成）の成長に適した低温（７３０℃以下）で行い、表面に起伏を生じさせるようにｎ−クラッド層を成長している。そして、これにより結晶欠陥の抑制を図っている。つまり、傾斜基板（オフ基板）を用いているため、成長基板面には原子層レベルでのステップが存在する。成長中に材料原子は成長表面を移動するが、ステップ端では異なる結晶方位が出現するので、ステップバンチングが生じてマクロステップが形成される。ところで、成長表面が平坦であることは、このようなマクロステップが結晶内に強制的に閉じ込められることを意味し、完全結晶を形成しない。すなわち、結晶欠陥の要因となる。一方、表面が凹凸になる、又は起伏が生じるのはマクロステップを内在しないように原子が積層された状態と考えられ、表面起伏が存在することの方が結晶的に高品質（結晶欠陥を有しない）と言える。なお、上記したように、下地層であるクラッド層表面の起伏の深さＤが１０ｎｍ以下であるようにクラッド層を成長することが好ましいことが分かった。また、量子井戸構造を構成する井戸層又は障壁層は、量子効果を十分に発揮するには数ｎｍ〜１０ｎｍ程度の層厚にする必要がある。特に、歪量子井戸構造は高出力化には重要であるが、この場合、量子井戸層に歪を導入するため、層厚は５ｎｍ程度以下にすることになる。これらのことから良質な量子井戸活性層を作製するには起伏は１０ｎｍ以下であることが好ましい。

そして、起伏を有するが結晶性に優れた（結晶欠陥を有しない）ｎ−クラッド層上に、当該起伏を緩和するための多層緩和層を成長し、平坦な成長表面を得ている。そして、当該平坦成長面上に活性層を成長することで、平坦性に優れるのみならず、結晶欠陥の抑制された高い結晶性を有する活性層を得ている。

［多層緩和層の構造］
（１）多層緩和層の組成
クラッド層の起伏を緩和する多層緩和層１５（第１緩和層１５Ａ及び第２緩和層１５Ｂ）の構成及び組成を検証した。第１緩和層１５Ａが異なる３つの組成の場合について、すなわち、第１緩和層１５Ａが（Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、（Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５ＰとしてＬＥＤを製造し（すなわち、Ａｌ組成Ｘ＝0.05， 0.15， 0.25）、その発光特性を調べた。なお、この場合、第２緩和層１５Ｂの組成は実施例１と同じＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ（Ａｌ組成Ｘ＝0.5）であり、また、その他の構成も実施例１と同じである。

Ａｌ組成Ｘ＝0.05， 0.15のＬＥＤでは発光特性は良好であったが、Ａｌ組成Ｘ＝0.25のＬＥＤでは、発光特性の異常（波長シフト、強度低下）が生じた。断面ＴＥＭ像の評価から、Ａｌ組成が高い場合には、下地の形状（起伏）を引き継いで成長すること、Ａｌ組成が低い場合には凹部を埋めるように成長することが分かった。第１緩和層１５ＡをＧａＩｎＰ（Ａｌ組成Ｘ＝０）又は低Ａｌ組成（Ｘが0.15以下）とすることで、ｎ−クラッド層１４の凹部を埋めるように作用し、このような組成の第１緩和層１５Ａ及び第２緩和層１５Ｂを積層することでｎ−クラッド層１４の起伏が緩和されていくと考えられる。なお、第１緩和層１５Ａの層厚はｎ−クラッド層１４の起伏の深さ（Ｄ）よりも薄く、第２緩和層１５Ｂの層厚は当該起伏の深さ（Ｄ）よりも厚くすることが好ましい。

一方、第２緩和層１５Ｂが異なる３つの組成の場合について、すなわち、（Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５ＰとしてＬＥＤを製造し（すなわち、Ａｌ組成Ｘ＝0.45， 0.35， 0.25）、その発光特性を調べた。なお、この場合、第１緩和層１５Ａの組成は実施例１と同じＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐ（Ａｌ組成Ｘ＝0）であり、また、その他の構成も実施例１と同じである。

Ａｌ組成Ｘ＝0.45， 0.35のＬＥＤでは発光特性は良好であったが、Ａｌ組成Ｘ＝0.25のＬＥＤでは、発光スペクトルの波長シフト及び強度低下が生じた。つまり、第１緩和層１５ＡがＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐ（Ａｌ組成Ｘ＝0）で構成されていても発光特性の異常が生じた。これらのことから、多層緩和層１５の構成は、第１緩和層１５Ａの組成がＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐ（Ａｌ組成Ｘ＝0）又は低Ａｌ組成（Ｘが0.15以下）であり、第２緩和層１５Ｂの組成が高Ａｌ組成（Ｘが0.35以上）とし、Ａｌ組成の大きく異なる層を交互に積層することが必要であることが分かった。

すなわち、上記したように、基板上に起伏を生じさせるようにクラッド層の成長を行っている。そして、表面（上面）に起伏を有するクラッド層上に多層緩和層を成長している、すなわち、クラッド層上に起伏を埋める薄膜層（第１緩和層１５Ａ）及び起伏を引き継ぐ薄膜層（第２緩和層１５Ｂ）を交互に積層することによって起伏を緩和しつつ、かつ結晶欠陥を内在しないように成長することができ、かつ平坦な成長表面を得ることができる。すなわち、平坦性に優れるのみならず、結晶欠陥の抑制された高い結晶性を有する成長層を得ることができる。

（２）多層緩和層の層構造
図１２は、実施例１における、第１緩和層１５Ａの合計層厚に対するＬＥＤ３０の相対発光強度をプロットして示す図である。より具体的には、第１緩和層１５Ａの層厚及び層数（すなわち、第１緩和層１５Ａ及び第２緩和層１５Ｂのペア数）を変えて作製したＬＥＤの相対発光強度をプロットした。なお、その他の構成は実施例１と同じである。第１緩和層（Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐ層）１５Ａの層厚を１ｎｍ，２ｎｍ，３ｎｍ，５ｎｍとし、層数（すなわち、緩和層１５Ａ及び１５Ｂのペア数）を５，１０，１５，２０，３０，５０としてＬＥＤを作製し、その発光特性を調べた。

第１緩和層１５Ａの層数（ペア数）が５の場合には、ＬＥＤの発光異常（波長シフト）が生じた。一方、第１緩和層１５Ａの層数は１０以上の場合には、ＬＥＤの発光波長シフトや強度低下は生じなかった。ｎ−クラッド層１４の起伏の深さ（１０ｎｍ）、及び第１緩和層１５Ａの最小層厚（１ｎｍ）を考慮すれば、第１緩和層１５Ａの層数を１０以上とする、あるいは第１緩和層１５Ａの合計層厚をｎ−クラッド層１４の起伏の深さ以上とすることによってｎ−クラッド層１４上に形成される活性層に起伏を生じさせないようにすることができる。

一般に、ＬＥＤの設計において電流拡散を均一化することによって発光効率を向上させることが重要である。電流拡散の均一化には活性層よりもＡｌ組成の大きなクラッド層を厚くすることが重要であるが、本発明によれば、上記した多層緩和層１５を設けることによって、起伏が生じる厚さ（２μｍ）を有するＡｌＧａＩｎＰ系結晶層（例えば、クラッド層）であっても当該結晶層上に平坦性に優れるのみならず、結晶欠陥の抑制された活性層を形成することができる。従って、均一な電流拡散を得るために十分な層厚を有する電流拡散層を実現できる。

一方、第１緩和層１５Ａの合計層厚が１００ｎｍを超えると発光強度が低下した。これは、図９に示したように、ＬＥＤ３０が支持基板貼り合わせ構造を有し、ｎ−クラッド層１４側を光取り出し面とするので、活性層に起伏は生じないものの、活性層で発生した光が多層緩和層１５（すなわち、第１緩和層１５Ａ）によって吸収されるからである。従って、このように、多層緩和層１５を介して光を取り出すＬＥＤ構造の場合には、第１緩和層１５Ａの合計層厚が１００ｎｍ以下であることが好ましい。

上記したように、本実施例によれば、平坦性に優れるのみならず、結晶欠陥の抑制された高い結晶性を有する成長層を得ることができるので、発光特性（高出力、高効率）及び信頼性に優れた半導体発光素子を提供することができる。

図１３は、実施例２によるＬＥＤデバイス層付き基板５０を示す断面図である。実施例１のＬＥＤデバイス層付き基板２０とは、ｎ型多層緩和層及び活性層の間に第２のｎ型（第１導電型）クラッド層５１が設けられている点において異なる。その他の構成は実施例１のＬＥＤデバイス層付き基板２０と同じである。すなわち、ｎクラッド層５１以外の層の組成、層厚、キャリア濃度等は実施例１の対応する各層のものと同一であり、成長条件も同一であった。

より詳細には、１５°オフのＧａＡｓ基板１１上に、ＳｉドープＧａＡｓ緩衝（バッファ）層４２を堆積し、Ｓｉドープの（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる第１のｎ−クラッド層４４を、表面（上面）に深さＤ（１０ｎｍ以下）の起伏を有するように形成した。第１のｎ−クラッド層４４上にはｎ型多層緩和層４５（第１緩和層４５Ａ及び第２緩和層４５Ｂを交互に３０ペア形成）を形成した。第１緩和層４５ＡはＳｉドープＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐ（層厚は３ｎｍ、キャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、第２緩和層４５ＢはＳｉドープＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ（層厚は２０ｎｍ、キャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3）であった。ｎ型多層緩和層４５上には第２のｎ−クラッド層５１を成長した。第２のｎ−クラッド層５１はＡｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層であり、層厚は３００ｎｍ（０．３μｍ）、キャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3であった。

そして、第２のｎ−クラッド層５１上に、アンドープＩｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐの量子井戸層４６Ａ（層厚：５ｎｍ）及びアンドープ（Ａｌ_０．５６Ｇａ_０．４４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐのバリア層４６Ｂ（層厚：１０ｎｍ）から構成される多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層４６を形成した。活性層４６上にはｐ−クラッド（第２導電型クラッド）層４７（Ｚｎドープの（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、層厚は１μｍ、キャリア濃度は３×１０¹⁷ｃｍ^-3）、中間層４８（Ｚｎドープ（Ａｌ_０．５６Ｇａ_０．４４）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、層厚が２０ｎｍ、キャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3）、ＧａＰからなるｐ型透明拡散層４９（層厚は１μｍ、キャリア濃度は３×１０¹⁸ｃｍ^-3）を順次成長した。

かかるプロセスにより、第１のｎ−クラッド層４４、ｎ型多層緩和層４５、第２のｎ型クラッド層５１、ＭＱＷ活性層４６、ｐ−クラッド層４７、中間層４８及びｐ型透明拡散層４９からなるＬＥＤ５０ＡがＧａＡｓ基板１１上に成長されたＬＥＤデバイス層付き基板（ＬＥＤデバイス層形成ウエハ）５０を形成した。

［第２のクラッド層及びＭＱＷ活性層の結晶性］
図１４（ａ），（ｂ）は、それぞれＭＱＷ活性層４６の近傍（多層緩和層４５ないしｐ−クラッド層４７）の断面ＴＥＭ像、ＭＱＷ活性層４６の一部を拡大した断面ＴＥＭ像である。当該断面ＴＥＭ像から原子レベルで平坦なＭＱＷ活性層（ウエル層、バリア層）が形成されているのが確認された。また、図１５は、本実施例のＬＥＤデバイス層付き基板５０のＰＬ（フォトルミネセンス）スペクトル（実線）及び実施例１のＬＥＤデバイス層付き基板２０のＰＬスペクトル（破線）を示している。なお、ＰＬ強度を規格化して示している。ｎ型多層緩和層４５上に第２のｎ−クラッド層５１を設けた場合（実施例２）のＰＬスペクトルの半値幅は１４．８ｎｍ（波長換算）であり、実施例１のＰＬスペクトルの半値幅は１５．６ｎｍであった。第２のｎ−クラッド層５１を設けた場合（実施例２）の方が実施例１のＰＬスペクトルに比べて半値幅で０．８ｎｍ狭くなっている。これらの結果から、第２のｎ−クラッド層５１を設けた場合（実施例２）のＭＱＷ活性層４６が平坦かつ高品質であることが確認された。すなわち、実施例２の多層緩和層４５上に成長した第２のクラッド層５１が基板上に成長した第１のクラッド層１４よりもさらに高い結晶性を有しているが、これは以下の理由によると考えられる。

ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ系結晶をＭＯＣＶＤ法により成長した場合、例えＧａＡｓ基板が平坦であっても、砒素系材料及びリン系材料（Ｖ族材料）の違いにより結晶性に違いが生じる。すなわち、ＧａＡｓ基板とＡｌＧａＩｎＰ系結晶層との界面には、厳密にはＡｓＰ系材料の層が形成される。このＡｓＰ系材料層の格子定数は基板の格子定数と大きく異なるため、このような界面が下地に存在する場合と存在しない場合では成長層の結晶性に違いが生じると考えられる。つまり、多層緩和層（Ｐ系材料層）上に第２のクラッド層（Ｐ系材料層）を成長する場合には、それらの界面に材料系（Ｖ族材料）の異なる層が形成されないため、第２のクラッド層の結晶品質が第１のクラッド層よりも良好なものとなると考えられる。

以上説明したように、多層緩和層上にＡｌＧａＩｎＰ系結晶の第２のクラッド層を成長することにより、第１のクラッド層のみの場合よりも平坦で結晶品質の高い（低結晶欠陥の）結晶層を第２のクラッド層上に形成することができる。特に、多層緩和層と量子井戸活性層との間に高Ａｌ組成の第２のクラッド層（Ａｌ_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層）を形成する場合であっても、さらに平坦で層厚の均一性が高く、かつ結晶品質の高い（低結晶欠陥の）量子井戸活性層を作製することができる。

［第２のクラッド層を採用することの優位性］
上記したように、第２のクラッド層を採用することによって当該クラッド層上の成長層の結晶性において優位性を有するが、さらに、発光素子の特性において種々の優位性を有している。この点について、以下に説明する。

本実施例のような第２のクラッド層を設けない場合には、活性層が緩和層に隣接することを意味する。この場合、緩和層を構成する低Ａｌ組成層（InGaP層）のバンドギャップと活性層のバンドギャップ（Eg）とのエネルギー差（ΔEg）は大きくなく、高Ａｌ組成の第１のクラッド層との間に緩和層を設けることで実効的なバンドギャップが低下する。しかし、高Ａｌ組成の第２のクラッド層を設けることでバンドギャップ差（ΔEg）を大きくすることができ、キャリア（電子、ホール）のオーバフローを抑制することができ、キャリアの活性層への注入効率を向上することができる。また、特に、高注入時においてはキャリアの閉じ込め効果を向上することができる。また、素子の設計自由度を高めることもできる。

本実施例によれば、平坦性及び結晶品質（低結晶欠陥）に優れた成長層を得ることができるので、発光特性（高出力、高効率）及び信頼性に優れた半導体発光素子を提供することができる。特に、キャリアのオーバフローを抑制し、キャリアの活性層への注入効率の高い高性能な発光素子を実現できる。

以上説明したように、上記実施例においては、起伏を有するクラッド層（第１のクラッド層）を基板上に成長し、当該クラッド層の起伏を緩和し、かつ結晶欠陥を内在しない多層薄膜緩和層を設けている。これにより、当該多層緩和層上に平坦性に優れるのみならず、結晶欠陥の抑制された高い結晶性を有する成長層を得ることができる。

また、当該多層緩和層上に第２のクラッド層を設けることにより、さらに平坦で結晶品質の高い（低結晶欠陥の）結晶層を第２のクラッド層上に形成することができる。特に、第２のクラッド層を高Ａｌ組成の結晶層とする場合であっても、平坦で結晶品質の高い（低結晶欠陥の）結晶性を有する成長層を得ることができる。

なお、上記実施例の各半導体層の導電型（ｐ型、ｎ型）、キャリア濃度、組成、層厚等は例示に過ぎない。例えば、上記実施例では第１、第２のクラッド層がｎ型である場合を例に説明したが、ｐ型である場合も同様である。また、活性層が多重量子井戸（ＭＱＷ）層である場合を例に説明したが、単一量子井戸（ＳＱＷ：Single Quantum Well）層であってもよい。また、上記した実施例は適宜組み合わせ、又は改変して適用することができる。

１１ 基板
１４，４４ 第１導電型クラッド層
１５，４５ 多層緩和層
１５Ａ，４５Ａ 第１緩和層
１５Ｂ，４５Ｂ 第２緩和層
１６，４６ 活性層
１７，４７ 第２導電型クラッド層
１８，４８ 中間層
１９，４９ 拡散層
２０，５０ 発光デバイス層付き基板
５１ 第２の第１導電型クラッド層

Claims (9)

1. ＧａＡｓ結晶の基板上にＭＯＣＶＤ法により活性層を含む発光デバイス層を成長した発光素子であって、
   前記基板上に形成された、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，Ｘ≧０．３）からなり起伏を有する第１導電型クラッド層と、
   前記第１導電型クラッド層上に形成された、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，０≦Ｘ≦０．１５）からなる第１緩和層及びＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，Ｘ≧０．３５）からなる第２緩和層が交互に積層された多層緩和層と、
   前記多層緩和層上に形成された活性層と、
   前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、を有することを特徴とする発光素子。
2. 前記多層緩和層及び前記活性層間に形成されたＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，Ｘ≧０．３５）からなる前記第１導電型の第２のクラッド層を有することを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
3. 前記第１導電型クラッド層の起伏の深さが１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光素子。
4. 前記第１導電型クラッド層の層厚が２μｍ以上であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１に記載の発光素子。
5. 前記第２のクラッド層の層厚が０．３μｍ以上であることを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１に記載の発光素子。
6. 前記第１緩和層の層厚は前記第１導電型クラッド層の起伏の深さ（Ｄ）よりも薄く、前記第２緩和層の層厚は前記起伏の深さ（Ｄ）よりも厚いことを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１に記載の発光素子。
7. ＧａＡｓ結晶の基板上にＭＯＣＶＤ法により活性層を含む発光デバイス層を形成する方法であって、
   前記基板上にＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，Ｘ≧０．３）からなり起伏を有する第１導電型クラッド層を形成するステップと、
   前記第１導電型クラッド層上にＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，０≦Ｘ≦０．１５）からなる第１緩和層及びＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，Ｘ≧０．３５）からなる第２緩和層が交互に積層された多層緩和層を形成するステップと、
   前記多層緩和層上に活性層を形成するステップと、
   前記活性層上に第２導電型クラッド層を形成するステップと、
   を有することを特徴とする方法。
8. 前記多層緩和層及び前記活性層間にＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，Ｘ≧０．３５）からなる前記第１導電型の第２のクラッド層を形成するステップを有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. ＧａＡｓ結晶の基板上にＭＯＣＶＤ法により活性層を含む発光デバイス層を成長したデバイス層付きウエハであって、
   前記基板上に形成された、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，Ｘ≧０．３）からなり起伏を有する第１導電型クラッド層と、
   前記第１導電型クラッド層上に形成された、Ａｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，０≦Ｘ≦０．１５）からなる第１緩和層及びＡｌ_ＸＧａ_ＹＩｎ_ＺＰ（Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１，Ｘ≧０．３５）からなる第２緩和層が交互に積層された多層緩和層と、
   前記多層緩和層上に形成された活性層と、
   前記活性層上に形成された第２導電型クラッド層と、を有することを特徴とするデバイス層付きウエハ。