JP3543295B2 - 化合物半導体の結晶成長方法および半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶成長方法、特に有機金属化学気相成長法および半導体発光素子（発光ダイオード）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体の結晶成長方法については、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）法がよく知られており、半導体素子、特に発光素子において、発光特性を向上するため良好な結晶性を得るための研究が進められている。
【０００３】
従来、発光素子の製造のための、基板上の活性層およびクラッド層などの発光部の成長条件については多くの研究がされていたが、発光部の上部に積層される、電流拡散層などの比較的厚膜の半導体層の結晶性についてはあまり研究されていなかった。
【０００４】
しかし、電流拡散層などの比較的厚膜の半導体層の結晶性が原因で素子特性が低下する問題が発生する。
【０００５】
具体例として、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いた面発光型素子の例について説明する。このような発光素子では、発光効率を増加させるために、発光部の上に電流拡散層を設けて、電極から注入された電流を活性層全体に広げる必要がある。例えば、図８に示すような面発光型ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子が提案されている。図８を参照すると、このような半導体発光素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板８１、ｎ型バッファ層８２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８３、ＡｌＧａＩｎＰ活性層８４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８５、およびｐ型ＧａＰ電流拡散層８７の各層ならびにｎ型電極８１０およびｐ型電極８１１により構成されている。発光部であるＡｌＧａＩｎＰ活性層８４で発光した光は、ｐ型電極８１１側から取り出される。ここで、ｐ型電極８１１から注入された電流をＡｌＧＩｎＰ活性層８４全体に拡げる必要がある。このため、ＧａＰ電流拡散層８７として、約２μｍ以上、一般的には約５μｍという厚い層を採用して電流を拡大し、ＡｌＧａＩｎＰ活性層８４全体で発光させることにより、上面方向への光取りだし効率を大きくしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような半導体発光素子では、電流拡散層の層厚を厚くしていることに起因する、ヒロックとよばれる結晶欠陥が多数発生する問題点がある。
【０００７】
この結晶欠陥は、特にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、例えばＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓおよびＡｌＧａＩｎＮ系の材料で多く発生する。
【０００８】
このヒロックとよばれる結晶欠陥が増加することにより、電流拡散層の結晶性が低下する。このため、発光効率の低下という問題点が生じる。また結晶性の低下により成長表面に凹凸が発生し、さらには、電極形成時に電極がはがれ易くなり、歩留りが低下するという問題点が生じる。
【０００９】
発明者らはヒロックとよばれる結晶欠陥の発生原因を特定するため、結晶欠陥が多く発生したこれらの半導体発光素子の断面を観察した。その結果、層厚の厚い層の界面付近から結晶欠陥の発生密度が大きくなっていた。
【００１０】
結晶欠陥の発生原因については、ＧａＰ層などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が厚膜成長すると、結晶成長中にＩＩＩ族原子とＶ族原子との間の結合が切れ、Ｖ族原子が解離し、この空孔がヒロックとよばれる結晶欠陥を発生させると考えられる。
【００１１】
したがって、組成の異なる複数の層を有する半導体では、各層間の界面付近および電流拡散層と発光部との界面近傍などでキャリア濃度および組成が急激に変化し、このため、特に結晶欠陥が発生しやすいと考えられる。
【００１２】
本発明はこの問題点を解決する化合物半導体の結晶成長方法を提供し、また、結晶欠陥がなく、発光効率および歩留りが大幅に改善された半導体発光素子を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の局面において、本発明の方法は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物を有する層を含む、組成が異なる複数の層を有する半導体中の、該ＩＩＩ−Ｖ族化合物を有する層を形成する方法であって、有機金属化学気相成長法によりＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させる工程を包含し、ここで、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量が、通常成長時のＶ族元素のモル流量よりも大きいとともに、ＩＩＩ族元素のモル流量が、結晶成長初期および通常成長時において一定である。
１つの実施態様では、前記結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量が、通常成長時の元素のモル流量よりも１．２倍以上、２倍以下である。
第２の局面において、本発明の方法は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物を有する層を含む、組成が異なる複数の層を有する半導体中の、該ＩＩＩ−Ｖ族化合物を有する層を形成する方法であって、有機金属化学気相成長法によりＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させる工程を包含し、ここで、結晶成長初期におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比が、通常成長時におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比よりも大きいとともに、ＩＩＩ族元素のモル流量が、結晶成長初期および通常成長時において一定である。
１つの実施態様では、前記結晶成長初期におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比が、通常成長時におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比よりも１．２倍以上、２倍以下である。
１つの実施態様では、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、ＧａＰを含む。
１つの実施態様では、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、Ｇａ ｘ Ｉｎ １−ｘ Ｐ（０＜ｘ≦１）を含む。
１つの実施態様では、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、Ａｌ ｘ Ｇａ ｙ Ｉｎ １−ｘ−ｙ Ｐ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む。
１つの実施態様では、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、Ａｌ ｘ Ｇａ １−ｘ Ｐ（０≦ｘ≦１）を含む。
１つの実施態様では、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、Ａｌ ｘ Ｇａ ｙ Ｉｎ １−ｘ−ｙ Ａｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む。
１つの実施態様では、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、Ａｌ ｘ Ｇａ ｙ Ｉｎ １−ｘ−ｙ Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む。
１つの実施態様では、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、Ｉｎ ｘ Ｇａ １−ｘ Ａｓ ｙ Ｐ １−ｙ （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を含む。
１つの実施態様において、本発明の半導体発光素子は、前記上部クラッド層と前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に電流阻止層を有する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の方法の第１の局面では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を、有機金属化学気相成長法により形成する。
【００３０】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物とは、ＩＩＩ族（周期表１３族）のアルミニウムＡｌ、ガリウムＧａ、インジウムＩｎ、またはタリウムＴｌ等と、Ｖ族（１５族）のリンＰ、ヒ素Ａｓ、アンチモンＳｂ、または窒素Ｎ等との間に生ずる原子比１：１の化合物をいう。
【００３１】
有機金属化学気相成長法とは、原料基体として有機金属を用いた化学蒸着法（ＣＶＤ）のうち、特に気相エピタクシーをいう。
【００３２】
有機金属化学気相成長法に用いる材料としては、ＩＩＩ族化合物のアルミニウムＡｌの材料として、トリメチルアルミニウム（ＣＨ３）３Ａｌおよびトリエチルアルミニウム（Ｃ２Ｈ５）３Ａｌ、ガリウムＧａの材料としてトリメチルガリウム（ＣＨ３）３Ｇａおよびトリエチルガリウム（Ｃ２Ｈ５）３Ｇａ、インジウムＩｎの材料としてトリメチルインジウム（ＣＨ３）３Ｉｎおよびトリエチルインジウム（Ｃ２Ｈ５）３Ｉｎ、そしてタリウムＴｌの材料としてトリメチルタリウム（ＣＨ３）３Ｔｌおよびトリエチルタリウム（Ｃ２Ｈ５）３Ｔｌなどが使用可能である。Ｖ族化合物のリンＰの材料としてホスフィンＰＨ３およびターシャリーブチルホスフィンＴＢＰ、ヒ素Ａｓの材料としてアルシンＡｓＨ３およびターシャリーブチルアミンＴＢＡ、アンチモンＳｂの材料としてＳｂＨ３、窒素Ｎの材料としてＮＨ３およびＮ２などが使用可能である。
【００３３】
本発明の方法の第１の局面では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶成長初期における、Ｖ族元素のモル流量を、通常成長時のＶ族元素のモル流量よりも大きくする。
【００３４】
１つの実施態様では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、少なくともＧａＰを含む。
【００３５】
この実施態様によれば、ヒロックとよばれる結晶欠陥が低減したバンドギャップの大きいＧａＰ層を結晶成長することができ、ＧａＰ層を有する半導体発光素子に適用した場合、電流拡散層の結晶性の低下に起因する発光効率の低下、および電極形成時の凹凸に起因するはがれなどの歩留り低下などの問題点が改善される。
【００３６】
１つの実施態様では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、少なくともＧａｘＩｎ１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）を含む。
【００３７】
この実施態様によれば、Ｉｎを含むことによりさらにヒロックと呼ばれる結晶欠陥が低減される。Ｉｎ原子はＰ原子との結合エネルギーが小さいため、成長中、成長表面を拡散しやすく、結晶欠陥の発生が抑制される。
【００３８】
１つの実施態様では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、少なくともＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む。
【００３９】
この実施態様によれば、Ａｌを含むことによりバンドギャップが大きくでき、さらにヒロックと呼ばれる結晶欠陥が低減される。
【００４０】
１つの実施態様では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、少なくともＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）を含む。
【００４１】
この実施態様によれば、本発明の効果が、ＡｌＧａＡｓ層およびＡｌＧａＡｓ系半導体発光素子において得られる。
【００４２】
１つの実施態様では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、少なくともＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む。
【００４３】
この実施態様によれば、本発明の効果が、ＡｌＧａＩｎＡｓ層およびＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体発光素子において得られる。
【００４４】
１つの実施態様では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、少なくともＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む。
【００４５】
この実施態様によれば、本発明の効果が、ＡｌＧａＩｎＮ層およびＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体発光素子において得られる。
【００４６】
１つの実施態様では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、少なくともＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を含む。
【００４７】
この実施態様によれば、本発明の効果が、ＩｎＧａＡｓＰ層およびＩｎＧａＡｓＰ系半導体発光素子において得られる。
【００４８】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶成長は、所望の積層構造に応じて、任意の層上で行うことができる。１つの実施態様においては、発光部の上部クラッド層の上で結晶成長が行われ、また１つの実施態様では、発光部の上部クラッド層の上の電流阻止層の上で結晶成長が行われる。
【００４９】
「結晶成長初期」は、少なくとも結晶成長の開始時点を含む、結晶成長初期の期間をいう。好ましくは、結晶成長の開始から所望の層の厚みの４分の１の厚みが形成されるまで、より好ましくは、結晶成長の開始から所望の層の厚みの２分の１の厚みが形成されるまでの期間をいう。
【００５０】
「通常成長時」は、結晶成長初期以後の結晶成長期間をいう。
【００５１】
「Ｖ族元素のモル流量」は、結晶成長のために流入されるＶ族元素の単位時間あたりのモル数であり、結晶成長初期では、好ましくは１．０５×１０−４〜１．０５モル／分である。
【００５２】
Ｖ族元素のモル流量は、通常成長時では、好ましくは１×１０−４〜１モル／分である。
【００５３】
結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量は、通常成長時よりも大きくする。好ましくは、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量は、通常成長時よりも１．０５倍以上大きくする。より好ましくは、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量は、通常成長時よりも１．１倍以上大きくする。
【００５４】
１つの実施態様において、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量は、通常成長時よりも１．２倍以上大きくする。
【００５５】
この実施態様によれば、本発明の効果がより効率的に得られる。さらに、Ｖ族元素の消費量を低減できるという利点がある。
【００５６】
一方、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量の上限は特に規定されないが、好ましくは通常成長時の２倍以下とする。
【００５７】
ここで、結晶成長初期および通常成長時における、Ｖ族元素およびＩＩＩ族元素のモル流量は、最終的に形成されるＩＩＩ−Ｖ族化合物層が単結晶となり、かつその中のＩＩＩ族元素対Ｖ族元素の比率が１：１となるように調整される。
【００５８】
ここで、Ｖ族元素のモル流量を大きくしても、ＩＩＩ族元素対Ｖ族元素の比率が１：１の単結晶が得られるのは、Ｖ族元素のモル流量が大きくても、本明細書中に開示されるような条件範囲では、Ｖ族元素とＩＩＩ族元素との化学的相互作用のために、量論比が１：１となるからである。
【００５９】
上記の方法により提供されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、所望の半導体設計に応じて任意の厚みとすることができる。
【００６０】
１つの実施態様では、上記の方法により提供されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の厚みは、２μｍ以上である。
【００６１】
この実施態様によれば、従来、結晶欠陥による問題が特に著しかった、層厚が２μｍ以上有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体における結晶欠陥が改善される。
【００６２】
本発明の方法を実施するための装置、材料、製造条件などは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶成長のための従来公知の任意の装置および製造条件が使用され得る。好ましくは、装置として、ＭＯＣＶＤ装置などが使用可能である。
【００６３】
本発明の方法の第２の局面において、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量のＩＩＩ族元素のモル流量に対する比を、通常成長時におけるＶ族元素のモル流量のＩＩＩ族元素のモル流量に対する比よりも大きくする。
【００６４】
結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量の、ＩＩＩ族元素のモル流量に対する比は、好ましくは、通常成長時よりも１．０５倍以上大きくする。より好ましくは、１．１倍以上大きくする。
【００６５】
１つの実施態様において、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量の、ＩＩＩ族元素のモル流量に対する比は、通常成長時におけるＶ族元素のモル流量の、ＩＩＩ族元素のモル流量に対する比よりも１．２倍以上大きくする。
【００６６】
この実施態様によれば、全体のモル流量を小さくできるという利点がある。
【００６７】
一方、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量のＩＩＩ族元素のモル流量に対する比の上限は特に規定されないが、好ましくは通常成長時の２倍以下とする。
【００６８】
なお、結晶成長初期および通常成長時における、Ｖ族元素およびＩＩＩ族元素のモル流量は、最終的に形成されるＩＩＩ−Ｖ族化合物層中のＩＩＩ族元素対Ｖ族元素の比率が１：１となるように調整される。
【００６９】
ここで、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量のＩＩＩ族元素のモル流量に対する比を大きくしても、ＩＩＩ族元素対Ｖ族元素の比率が１：１の単結晶が得られるのは、Ｖ族元素のモル流量が大きくても、本明細書中に開示されるような条件範囲では、Ｖ族元素とＩＩＩ族元素との化学的相互作用のために、量論比が１：１となるからである。
【００７０】
結晶成長初期、および通常成長時のＶ族元素のモル流量は、それぞれ、本発明の第１の局面について上述したモル流量が適用可能である。
【００７１】
「ＩＩＩ族元素のモル流量」は、結晶成長のために流入されるＩＩＩ族元素の単位時間あたりのモル数であり、結晶成長初期では、好ましくは１×１０−５〜１×１０−３モル／分である。
【００７２】
ＩＩＩ族元素のモル流量は、通常成長時では、好ましくは１×１０−５〜１×１０−３モル／分である。
【００７３】
結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量のＩＩＩ族元素のモル流量に対する比は、好ましくは１０〜１０００である。
【００７４】
通常成長時におけるＶ族元素のモル流量のＩＩＩ族元素のモル流量に対する比は、好ましくは１０〜１０００である。
【００７５】
本発明の方法の第２の局面において、上記以外の、用語の定義、装置、材料、製造条件などについては、第１の局面について上述したものが適用可能である。
【００７６】
本発明の方法の第３の局面では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶成長初期の成長温度が、通常成長時の成長温度よりも高い。
【００７７】
ここで、成長温度とは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物が結晶成長する時のＩＩＩ−Ｖ族化合物の温度をいう。
【００７８】
結晶成長初期の成長温度は、通常成長時の成長温度よりも、好ましくは、１０℃以上高い。
【００７９】
１つの実施態様では、結晶成長初期の成長温度が、通常成長時の成長温度よりも１０℃以上高い。この実施態様によれば、上記効果に加えて、基板温度を低くすることができ、ドーパントの拡散などを抑制できる。この実施態様により形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物層を含む半導体発光素子の特性は、良好に保たれ得る。
【００８０】
結晶成長初期の成長温度の上限は、特に規定されないが、通常成長時の成長温度を１００℃以上越えないことが好ましく、通常成長時の成長温度を８０℃以上越えないことがより好ましい。
【００８１】
したがって、結晶成長初期の成長温度は、好ましくは、６９０〜８６０℃である。通常成長時の成長温度は、好ましくは、６８０〜８５０℃である。
【００８２】
本発明の方法の第３の局面において、上記以外の、用語の定義、装置、材料、製造条件などについては、第１の局面について上述したものが適用可能である。
【００８３】
次に、本発明の半導体発光素子について説明する。
【００８４】
本発明の半導体発光素子は、基板１と、基板の上の、下部クラッド層３、活性層４、および上部クラッド層５を有する発光部８と、発光部８の上の、厚みが２μｍ以上であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７を有する半導体発光素子であって、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７が、上記本発明の方法のいずれかにより形成されている。
【００８５】
基板１は、その上にエピタキシャル成長する半導体であり、従来公知の材料を使用することができ、例えば、ＧａＡｓなどが好ましい。また基板１は、従来公知の方法により製造することができる。
【００８６】
基板１の厚みは、所望の半導体設計に応じて任意の厚みが選択され得るが、好ましくは３００〜４００μｍである。
【００８７】
下部クラッド層３は、キャリアを活性層に閉じ込める層であり、従来公知の材料を使用することができ、例えば、ＡｌＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＡｓなどが好ましい。また下部クラッド層３は、従来公知の方法により製造することができる。例えば、ＭＯＣＶＤ装置により製造することができる。
【００８８】
下部クラッド層３の厚みは、所望の半導体設計に応じて任意の厚みが選択され得るが、好ましくは０．５〜２μｍである。
【００８９】
活性層４は、発光する層であり、従来公知の材料を使用することができ、例えば、ＡｌＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＡｓなどが好ましい。また活性層４は、従来公知の方法により製造することができる。例えば、ＭＯＣＶＤ装置により製造することができる。
【００９０】
活性層４の厚みは、所望の半導体設計に応じて任意の厚みが選択され得るが、好ましくは０．００１〜２μｍである。
【００９１】
上部クラッド層５は、キャリアを活性層に閉じ込める層であり、従来公知の材料を使用することができ、例えば、ＡｌＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＡｓなどが好ましい。また上部クラッド層５は、従来公知の方法により製造することができる。例えば、ＭＯＣＶＤ装置により製造することができる。
【００９２】
上部クラッド層５の厚みは、所望の半導体設計に応じて任意の厚みが選択され得るが、好ましくは０．５〜１０μｍである。
【００９３】
下部クラッド層３、活性層４、および上部クラッド層５は、発光部８を形成する。
【００９４】
本発明の半導体発光素子において、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７は、厚みが２μｍ以上である。
【００９５】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７の材料および製造方法などは、本発明の方法として上述した通りである。
【００９６】
本発明の半導体発光素子の１つの実施態様においては、上部クラッド層５とＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７との間に電流阻止層６を有する。
【００９７】
この実施態様によれば、電流拡散層での電流をさらに広げることができ、発光効率を増加することができる。
【００９８】
電流阻止層６は、電流を狭窄する層であり、従来公知の材料を使用することができ、例えば、ＡｌＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＡｓなどが好ましい。また電流阻止層６は、従来公知の方法により製造することができる。例えば、ＭＯＣＶＤ法により製造することができる。
【００９９】
電流阻止層６の厚みは、所望の半導体設計に応じて任意の厚みが選択され得るが、好ましくは０．１〜１μｍである。
【０１００】
以下に、本発明の具体的な実施例について説明する。以下の実施例は、すべて例示を目的とする、非限定的なものである。
【０１０１】
【実施例】
（実施例１）
図１は本発明の第１の実施例による化合物半導体の結晶成長法を用いたＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光素子からなる半導体発光素子の断面図である。この図を用いて、第１の実施例を説明する。
【０１０２】
まず、以下の各層を順次積層成長した。
（１）ｎ−ＧａＡｓ基板１、
（２）ｎ−ＧａＡｓバッファ層２（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（３）ｎ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層３（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）厚み１．０μｍ、
（４）（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）活性層４（ｘ＝０．３、ｙ＝０．５）、厚み０．５μｍ、
（５）ｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層５（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、（６）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）中間層６、厚み０．１μｍ、
（７）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）電流拡散層７（ｘ＝０．１０、ｙ＝０．９０、Ｚｎ濃度１×１０１８ｃｍ−３）、厚み５μｍ。
【０１０３】
上記（１）〜（７）の各層は、ＭＯＣＶＤ法を用い、ＭＯＣＶＤ装置により、成長温度７００℃で形成した。
【０１０４】
次に、ｎ型電極１０およびｐ型電極１１を形成して、半導体発光素子を完成した。
【０１０５】
本実施例では、電流拡散層７を形成した際に、最初の約１μｍ程度を初期成長とし、残りの約４μｍを通常成長とした。
【０１０６】
Ｖ族元素のモル流量は、初期成長時において、１．２×１０−３モル／分であり、通常成長時において１．０×１０−３モル／分であった。ＩＩＩ族元素のモル流量は、初期成長時において、２．０×１０−５モル／分であり、通常成長時において２．０×１０−５モル／分であった。
【０１０７】
また、成長温度は、初期成長時において、７００℃であり、通常成長時において７００℃であった。
【０１０８】
本実施例でのｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ電流拡散層７を成長した時の、ＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比（以下Ｖ／ＩＩＩと記す）の層厚方向での、通常成長時に対する比率を図９に示す。（したがって、この比率は、通常成長時は、１である）
本実施例では、成長初期のＶ／ＩＩＩを６０とし、その後、徐々に減少させて通常成長時のＶ／ＩＩＩを５０とした。したがって、通常成長時のＶ／ＩＩＩに対する成長初期のＶ／ＩＩＩの比は１．２である。
【０１０９】
本実施例により作製したＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子は、電流拡散層にｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層を用いている。このタイプの半導体発光素子では、ヒロックとよばれる結晶欠陥は従来、１０００個／ｃｍ−２程度発生していたが、本実施例では、５００個／ｃｍ−２程度に半減された。
【０１１０】
この理由としては、以下のように考えられる。
【０１１１】
従来ＡｌＧａＩｎＰ層等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は結晶中で、Ｇａ原子やＩｎ原子などのＩＩＩ族元素とＶ族元素であるＰ原子の結合が強くないため、Ｖ族元素であるＰ原子が解離しやすく、成長中にヒロックとよばれる結晶欠陥が発生しやすい原因となっていた。そこで、この結晶成長中のＶ族元素であるＰ原子のモル流量を増加すると、Ｖ族元素であるＰ原子の解離が減少しヒロックとよばれる結晶欠陥の発生も抑制されると考えられる。
【０１１２】
また、本実施例で確認された効果には、成長初期のＶ族元素の流量が大きく寄与していると考えられる。なぜなら、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を含む複数の層を有する半導体を成長した場合、成長界面で結晶欠陥が発生しやすいと考えられるからである。
【０１１３】
さらに、通常成長時のＶ／ＩＩＩに対する成長初期のＶ／ＩＩＩの比を各種の値に変更して本実施例を実施し、得られた各半導体発光素子のヒロック欠陥密度を測定した。その結果を図１０に示す。本図より、通常成長時のＶ／ＩＩＩに対する、成長初期のＶ／ＩＩＩの比が１．２以上であれば１００ｃｍ−２以下に結晶欠陥密度が減少することがわかる。
【０１１４】
本実施例では、成長初期の１μｍ程度のみＶ族元素のモル流量を増加させることにより、ヒロックと呼ばれる結晶欠陥が、上記のように顕著に減少する結果が得られた。Ｖ族元素の消費量も従来よりほとんど増加せず、発光効率および歩留りが改善された。特性では波長５９０ｎｍの黄色半導体発光素子で従来より発光効率が１０％上昇し、歩留りも１０％増加した。
【０１１５】
（実施例２）
図２は本発明の第２の実施例による化合物半導体の結晶成長法を用いたＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光素子である半導体発光素子の断面図である。この図を用いて、第２の実施例を説明する。
【０１１６】
まず、以下の各層を順次積層した。
（１）ｎ−ＧａＡｓ基板２１
（２）ｎ−ＧａＡｓバッファ層２２（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（３）ｎ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層２３（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（４）（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）活性層２４（ｘ＝０．４５、ｙ＝０．５）、厚み０．５μｍ、
（５）ｐ（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層２５（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、（６）ｐ−ＩｎｘＧａ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１）中間層２６（Ｚｎ濃度１×１０１８ｃｍ−３）、厚み０．１μｍ、
（７）ｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）電流拡散層２７（ｘ＝０．５０、ｙ＝０．２０、Ｚｎ濃度１×１０１８ｃｍ−３）、厚み５μｍ。
【０１１７】
次に、ｎ型電極２１０およびｐ型電極２１１を形成して、半導体発光素子を完成した。
【０１１８】
図１１に本実施例でのｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ電流拡散層の層厚方向での成長温度を示す。成長初期の１μｍ程度は７５０℃で成長し、その後、７３０℃で成長した。
【０１１９】
本実施例により作製したＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子には、電流拡散層にｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層を用いた。このタイプの半導体発光素子では、ヒロックとよばれる結晶欠陥は従来、１０００個／ｃｍ−２程度発生していたが、本実施例では、５００個／ｃｍ−２程度に半減された。
【０１２０】
この理由としては、従来ＡｌＧａＩｎＰ層等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は結晶中で、Ｇａ原子やＩｎ原子などのＩＩＩ族元素とＶ族元素であるＰ原子の結合が強くないため、Ｖ族元素であるＰ原子が解離しやすく、成長中にヒロックとよばれる結晶欠陥が発生しやすい原因となっていた。ここで、成長温度を上昇させると、Ｖ族元素であるＰ原子は解離しやすくなるが、同時に表面上でのマイグレーション（拡散）が活発となり、ヒロックとよばれる結晶欠陥の発生も抑制される。
【０１２１】
また、本実施例の効果は、成長初期の成長温度が大きく寄与していると考えられる。なぜなら、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を含む複数の層を有する半導体を成長した場合、成長界面で結晶欠陥が発生しやすいと考えられるからである。
【０１２２】
さらに、成長初期の温度を各種の値に変更して本実施例を実施し、得られた各半導体発光素子のヒロック欠陥密度を測定した。その結果を図１２に示す。本図より、成長初期の温度を通常成長時の温度よりも１０℃以上高くすることにより、５００ｃｍ−２以下に結晶欠陥密度が減少することがわかる。
【０１２３】
本実施例では、成長初期の０．５μｍ程度のみ成長温度を上昇させることにより、ヒロックについて、実施例１とほぼ同様の結果が得られた。電流拡散層からのドーパントの活性層への拡散も従来よりほとんど増加せず、発光効率および歩留りが改善された。特性では波長５９０ｍｍの黄色半導体発光素子で従来より発光効率が１０％、歩留りも１０％増加した。
【０１２４】
（実施例３）
図３は本発明の第３の実施例による化合物半導体の結晶成長法を用いたＡｌＧａＩＡｓ系化合物半導体発光素子である半導体発光素子の断面図である。この図を用いて、第３の実施例を説明する。本実施例では、第１、２の実施例の両方を合わせた方法を適用した。すなわち、ＩＩＩ族およびＶ族の各元素のモル流量の条件は、実施例１と同一とし、温度条件については、実施例２と同一とした。
【０１２５】
まず、以下の各層を積層した。
（１）ｎ−ＧａＡｓ基板３１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層３２（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（２）ｎ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層３３（ｘ＝０．３、ｙ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（３）（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）活性層３４（ｘ＝０、ｙ＝０．５）、厚み０．５μｍ、
（４）Ｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層３５（ｘ＝０．３、ｙ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（５）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）中間層３６（ｘ＝０．２、ｙ＝０．６、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．１μｍ、
（６）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）電流拡散層３７（ｘ＝０．６、ｙ＝０．２、Ｚｎ濃度３×１０１８ｃｍ−３）、厚み５μｍ。
【０１２６】
次に、ｎ型電極３１０およびｐ型電極３１１を形成して、半導体発光素子が完成した。
【０１２７】
図１３Ａに本実施例での電流拡散層のＶ／ＩＩＩ比の層厚方向での比率を示し、図１３Ｂに、成長温度の差を示す。従来の発光素子では１０００個／ｃｍ−２程度発生したが、Ｖ／ＩＩＩ比による効果と成長温度の両方の効果により、本実施例では、１０個／ｃｍ−２程度（従来の１／５０）まで大幅に低減された。
【０１２８】
得られた半導体発光素子は、発光効率および歩留りが改善された。特性では波長１０２０ｎｍの半導体発光素子で従来より発光効率が３０％、歩留りも３０％増加した。
【０１２９】
（実施例４）
図４は本発明の第４の実施例によるＡｌＧａＡｓ系化合物半導体発光素子である半導体発光素子の断面図である。この図を用いて、第４の実施例を説明する。第１の実施例と異なる点は、材料系がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層で形成したことであり、電流拡散層の下に組成の異なる中間層を設け、この層から本発明を適用したことである。
【０１３０】
まず、以下の各層を積層した。
（１）ｎ−ＧａＡｓ基板４１、
（２）ｎ−ＧａＡｓバッファ層４２（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（３）ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）クラッド層４３（ｘ＝０．７、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（４）ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）活性層４４（ｘ＝０．０５）、厚み０．５μｍ、
（５）ｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）クラッド層４５（ｘ＝０．７、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（６）ｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）中間層４６（ｘ＝０．１０、Ｚｎ濃度１×１０１８ｃｍ−３）、厚み０．１μｍ、
（７）ｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）電流拡散層４７（ｘ＝０．８０、Ｚｎ濃度５×１０１８ｃｍ−３）、厚み５μｍ、
（８）ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、厚み０．１μｍ。
【０１３１】
次に、ｎ型電極４１０およびｐ型電極４１１を形成して、半導体発光素子を完成した。
【０１３２】
図１４に本実施例での中間層４６および電流拡散層４７の層厚方向でのＶ／ＩＩＩの比を示す。従来のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ電流拡散層を用いた発光素子では３０００個／ｃｍ−２程度ヒロックと呼ばれる結晶欠陥が発生したが、本実施例では、１００個／ｃｍ−２程度と（従来の約１／３０）まで大幅に低減された。
【０１３３】
このようにして得られた半導体発光素子では、発光効率および歩留りが改善され、特性では波長８５０ｍｍの赤外半導体発光素子で従来より発光効率が３０％、歩留りも３０％増加した。
【０１３４】
さらに、本実施例では、電流拡散層４７の材料として、ＧａＰ層、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）層、およびＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層のそれぞれを用いて同様に半導体発光素子を作製した。その結果、同様に結晶欠陥のヒロック数を大幅に低減できた。
【０１３５】
（実施例５）
図５は本発明の第５の実施例によるＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体発光素子である半導体発光素子の断面図である。この図を用いて、第５の実施例を説明する。他の実施例と異なる点は、発光部であるクラッド層から本発明を適用したことである。
【０１３６】
まず、以下の各層を積層した。
（１）サファイア基板５１、
（２）ｎ−ＡｌＩｎＮバッファ層５２（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（３）ｎ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）クラッド層５３（ｘ＝０．２、ｙ＝０．８、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（４）ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）活性層５４（ｘ＝０、ｙ＝０．９）、厚み０．５μｍ、
（５）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）クラッド層５５（ｘ＝０．２、ｙ＝０．８、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（６）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）中間層５６（ｘ＝０．５、ｙ＝０．５、Ｚｎ濃度１×１０１８ｃｍ−３）厚み０．１μｍ、
（７）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）電流拡散層５７（ｘ＝０．８、ｙ＝０．２、Ｚｎ濃度２×１０１８ｃｍ−３）、厚み５μｍ。
【０１３７】
次に、ｎ型電極５１０およびｐ型電極５１１を形成して、半導体発光素子を完成した。
【０１３８】
図１５に本実施例でのクラッド層５５、中間層５６および電流拡散層５７の層厚方向でのＶ／ＩＩＩの比を示す。従来のＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ電流拡散層を用いた発光素子では３０００個／ｃｍ−２程度ヒロックと呼ばれる結晶欠陥が発生したが、本実施例では、１００個／ｃｍ−２程度（従来の約１／３０）まで大幅に低減された。また本実施例では成長温度を１０００℃とした。
【０１３９】
このようにして得られた半導体発光素子は、発光効率および歩留りが改善された。特性では波長４６０ｍｍの青色半導体発光素子で従来より発光効率が３０％上昇し、そして歩留りも５０％増加した。
【０１４０】
（実施例６）
図６は本発明の第６の実施例によるＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光素子である半導体発光素子の断面図である。この図を用いて、第６の実施例を説明する。第１の実施例と異なる点は、クラッド層６５と電流拡散層６７の間の中央部に電流阻止層６９を設けていることである。
【０１４１】
まず、以下の各層を積層した。
（１）ｎ−ＧａＡｓ基板６１、
（２）ｎＧａＡｓバッファ層６２（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（３）ｎ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層６３（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（４）（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）活性層６４（ｘ＝０．１５、ｙ＝０．５）、厚み０．５μｍ、
（５）ｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層６５（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（６）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）中間層６６（ｘ＝０．２、ｙ＝０．７、Ｚｎ濃度１×１０１８ｃｍ−３）厚み０．１μｍ
（７）ｎ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）電流阻止層６９（ｘ＝０．１、ｙ＝０．８、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（８）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）電流拡散層６７（ｘ＝０．１、ｙ＝０．８、Ｚｎ濃度５×１０１８ｃｍ−３）、厚み５μｍ。
【０１４２】
ｎ型電極６１０およびｐ型電極６１１を形成して半導体発光素子を完成した。
【０１４３】
本実施例では、クラッド層６５と電流拡散層６７の間の中央部に電流阻止層６９を設けた。このことにより、電極６１１から注入された電流は電流拡散層６７でさらに拡がり、光取り出し効率はさらに向上した。
【０１４４】
特性では波長６１０ｎｍの燈色半導体発光素子で従来より発光効率が４０％に増加した。
【０１４５】
（実施例７）
図７は本発明の第７の実施例によるＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光素子である半導体発光素子の断面図である。この図を用いて、第７の実施例を説明する。第６の実施例と異なる点は、クラッド層７５と電流拡散層７７の間の電流阻止層７９が周辺部に設けたことである。
【０１４６】
まず、以下の各層を積層した。
（１）ｎ−ＧａＡｓ基板７１、
（２）ｎ−ＧａＡｓバッファ層７２（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（３）ｎ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層７３（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（４）（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）活性層７４（ｘ＝０．１５、ｙ＝０．５）、厚み０．５μｍ、
（５）ｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層７５（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（６）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）中間層（ｘ＝０．２、ｙ＝０．７、Ｚｎ濃度１×１０１８ｃｍ−３）７６、厚み０．１μｍ、
（７）ｎ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）電流阻止層７９（ｘ＝０．１、ｙ＝０．８、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（８）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）電流拡散層７７（ｘ＝０．１、ｙ＝０．８、Ｚｎ濃度５×１０１８ｃｍ−３）厚み５μｍ。
【０１４７】
ｎ型電極７１０およびｐ型電極７１１を形成して半導体発光素子を完成した。
【０１４８】
本実施例では、クラッド層７５と電流拡散層７７の間の電流阻止層７９が周辺部に設けられており、このことにより、電極７１１から注入された電流は電流拡散層７７で中央部に集中し、光取り出し効率がさらに向上する。特性では波長６１０ｎｍの燈色半導体発光素子で従来より発光効率が４０％増加した。
【０１４９】
さらに、上記実施例１〜７において各層の組成比ｘおよびｙを適宜変更して、同様に半導体発光素子を作製した。その結果、いずれにおいても、本発明の効果が十分に得られた。
【０１５０】
また、電流狭窄の構造が異なってもすべての半導体発光素子に適用可能であり、本発明の効果が得られる。
【０１５１】
また、上記実施例では、電流拡散層のドーパントにＺｎを用いたが、Ｚｎの代わりに、ＭｇまたはＢｅなどの他のドーパントを用いても、同様の効果があった。さらに、ＳｉやＳｅ、Ｔｅ等のｎ型のドーパントを用いた場合でも同様の効果があった。また、他の材料として、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ系についても同様の実験を行った結果、同様の本発明の効果が得られた。
【０１５２】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量が、通常成長時のＶ族元素のモル流量よりも大きいことにより、もしくは結晶成長初期におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比が、通常成長時におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比よりも大きいことにより、または結晶成長初期の成長温度が、通常成長時の成長温度よりも高いことにより、ヒロックとよばれる結晶欠陥が低減されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長することができる。この方法を半導体発光素子に適用した場合、電流拡散層の結晶性の低下に起因する発光効率の低下、および電極形成時の凹凸に起因するはがれなどの歩留り低下などの問題点が改善される。
【０１５３】
本発明の化合物半導体発光素子によれば、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量が、通常成長時のＶ族元素のモル流量よりも大きいことにより、もしくは結晶成長初期におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比が、通常成長時におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比よりも大きいことにより、または結晶成長初期の成長温度が、通常成長時の成長温度よりも高いことにより、ヒロックとよばれる結晶欠陥が低減し、電流拡散層の結晶性の低下に起因する発光効率が増加するとともに、電極形成時の凹凸に起因するはがれなどが低減するために歩留りが大幅に改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の方法を用いて形成された半導体発光素子の断面図。
【図２】実施例２の方法を用いて形成された半導体発光素子の断面図。
【図３】実施例３の方法を用いて形成された半導体発光素子の断面図。
【図４】実施例４の方法を用いて形成された半導体発光素子の断面図。
【図５】実施例５の方法を用いて形成された半導体発光素子の断面図。
【図６】実施例６の方法を用いて形成された半導体発光素子の断面図。
【図７】実施例７の方法を用いて形成された半導体発光素子の断面図。
【図８】従来例の半導体発光素子の断面図。
【図９】実施例１の方法を用いて形成された電流拡散層７の層厚方向のＶ／ＩＩ１の比を示すグラフ。
【図１０】実施例１の方法における、電流拡散層７の、通常成長時に対する成長初期のＶ／ＩＩＩの比と、ヒロックと呼ばれる結晶欠陥の発生密度との関係を示すグラフ。
【図１１】実施例２の方法を用いて形成された電流拡散層２７の層厚方向の成長初期とそれ以降の成長温度の差を示すグラフ。
【図１２】実施例２の方法における、電流拡散層２７の層厚方向の成長初期と通常成長時との成長温度の差と、ヒロックと呼ばれる結晶欠陥の発生密度との関係を示すグラフ。
【図１３Ａ】実施例３の方法を用いて形成された電流拡散層３７の層厚方向のＶ／ＩＩＩの比を示すグラフ。
【図１３Ｂ】実施例３の方法を用いて形成された電流拡散層３７の成長初期と通常成長時との成長温度の差を示すグラフ。
【図１４】実施例４の方法を用いて形成された中間層４６および電流拡散層４７の層厚方向のＶ／ＩＩＩの比を示すグラフ。
【図１５】実施例５を用いて形成されたクラッド層５５と中間層５６と電流拡散層５７の層厚方向のＶ／ＩＩＩの比を示すグラフ。
【符号の説明】
１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１ 基板
２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２ バッファ層
３、２３、３３、４３、５３、６３、７３、８３ 下部クラッド層
４、２４、３４、４４、５４、６４、７４、８４ 活性層
５、２５、３５、４５、５５、６５、７５、８５ 上部クラッド層
６、２６、３６、４６、５６、６６、７６ 中間層
７、２７、３７、４７、５７、６７、７７、８７ 電流拡散層
８ 発光部
１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、７１０、８１０ ｎ型電極
１１、２１１、３１１、４１１、５１１、６１１、７１１、８１１ ｐ型電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶成長方法、特に有機金属化学気相成長法および半導体発光素子（発光ダイオード）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体の結晶成長方法については、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）法がよく知られており、半導体素子、特に発光素子において、発光特性を向上するため良好な結晶性を得るための研究が進められている。
【０００３】
従来、発光素子の製造のための、基板上の活性層およびクラッド層などの発光部の成長条件については多くの研究がされていたが、発光部の上部に積層される、電流拡散層などの比較的厚膜の半導体層の結晶性についてはあまり研究されていなかった。
【０００４】
しかし、電流拡散層などの比較的厚膜の半導体層の結晶性が原因で素子特性が低下する問題が発生する。
【０００５】
具体例として、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いた面発光型素子の例について説明する。このような発光素子では、発光効率を増加させるために、発光部の上に電流拡散層を設けて、電極から注入された電流を活性層全体に広げる必要がある。例えば、図８に示すような面発光型ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子が提案されている。図８を参照すると、このような半導体発光素子は、ｎ型ＧａＡｓ基板８１、ｎ型バッファ層８２、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８３、ＡｌＧａＩｎＰ活性層８４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８５、およびｐ型ＧａＰ電流拡散層８７の各層ならびにｎ型電極８１０およびｐ型電極８１１により構成されている。発光部であるＡｌＧａＩｎＰ活性層８４で発光した光は、ｐ型電極８１１側から取り出される。ここで、ｐ型電極８１１から注入された電流をＡｌＧＩｎＰ活性層８４全体に拡げる必要がある。このため、ＧａＰ電流拡散層８７として、約２μｍ以上、一般的には約５μｍという厚い層を採用して電流を拡大し、ＡｌＧａＩｎＰ活性層８４全体で発光させることにより、上面方向への光取りだし効率を大きくしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このような半導体発光素子では、電流拡散層の層厚を厚くしていることに起因する、ヒロックとよばれる結晶欠陥が多数発生する問題点がある。
【０００７】
この結晶欠陥は、特にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体、例えばＧａＰ、ＩｎＧａＰ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓおよびＡｌＧａＩｎＮ系の材料で多く発生する。
【０００８】
このヒロックとよばれる結晶欠陥が増加することにより、電流拡散層の結晶性が低下する。このため、発光効率の低下という問題点が生じる。また結晶性の低下により成長表面に凹凸が発生し、さらには、電極形成時に電極がはがれ易くなり、歩留りが低下するという問題点が生じる。
【０００９】
発明者らはヒロックとよばれる結晶欠陥の発生原因を特定するため、結晶欠陥が多く発生したこれらの半導体発光素子の断面を観察した。その結果、層厚の厚い層の界面付近から結晶欠陥の発生密度が大きくなっていた。
【００１０】
結晶欠陥の発生原因については、ＧａＰ層などのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が厚膜成長すると、結晶成長中にＩＩＩ族原子とＶ族原子との間の結合が切れ、Ｖ族原子が解離し、この空孔がヒロックとよばれる結晶欠陥を発生させると考えられる。
【００１１】
したがって、組成の異なる複数の層を有する半導体では、各層間の界面付近および電流拡散層と発光部との界面近傍などでキャリア濃度および組成が急激に変化し、このため、特に結晶欠陥が発生しやすいと考えられる。
【００１２】
本発明はこの問題点を解決する化合物半導体の結晶成長方法を提供し、また、結晶欠陥がなく、発光効率および歩留りが大幅に改善された半導体発光素子を提供する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の局面において、本発明の方法は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物を有する層を含む、組成が異なる複数の層を有する半導体中の、該ＩＩＩ−Ｖ族化合物を有する層を形成する方法であって、有機金属化学気相成長法によりＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させる工程を包含し、ここで、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量が、通常成長時のＶ族元素のモル流量よりも大きいとともに、ＩＩＩ族元素のモル流量が、結晶成長初期および通常成長時において一定である。
１つの実施態様では、前記結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量が、通常成長時の元素のモル流量よりも１．２倍以上、２倍以下である。
第２の局面において、本発明の方法は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物を有する層を含む、組成が異なる複数の層を有する半導体中の、該ＩＩＩ−Ｖ族化合物を有する層を形成する方法であって、有機金属化学気相成長法によりＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させる工程を包含し、ここで、結晶成長初期におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比が、通常成長時におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比よりも大きいとともに、ＩＩＩ族元素のモル流量が、結晶成長初期および通常成長時において一定である。
１つの実施態様では、前記結晶成長初期におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比が、通常成長時におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比よりも１．２倍以上、２倍以下である。
１つの実施態様では、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、ＧａＰを含む。
１つの実施態様では、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、Ｇａ ｘ Ｉｎ １−ｘ Ｐ（０＜ｘ≦１）を含む。
１つの実施態様では、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、Ａｌ ｘ Ｇａ ｙ Ｉｎ １−ｘ−ｙ Ｐ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む。
１つの実施態様では、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、Ａｌ ｘ Ｇａ １−ｘ Ｐ（０≦ｘ≦１）を含む。
１つの実施態様では、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、Ａｌ ｘ Ｇａ ｙ Ｉｎ １−ｘ−ｙ Ａｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む。
１つの実施態様では、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、Ａｌ ｘ Ｇａ ｙ Ｉｎ １−ｘ−ｙ Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む。
１つの実施態様では、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、Ｉｎ ｘ Ｇａ １−ｘ Ａｓ ｙ Ｐ １−ｙ （０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を含む。
１つの実施態様において、本発明の半導体発光素子は、前記上部クラッド層と前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に電流阻止層を有する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の方法の第１の局面では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を、有機金属化学気相成長法により形成する。
【００３０】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物とは、ＩＩＩ族（周期表１３族）のアルミニウムＡｌ、ガリウムＧａ、インジウムＩｎ、またはタリウムＴｌ等と、Ｖ族（１５族）のリンＰ、ヒ素Ａｓ、アンチモンＳｂ、または窒素Ｎ等との間に生ずる原子比１：１の化合物をいう。
【００３１】
有機金属化学気相成長法とは、原料基体として有機金属を用いた化学蒸着法（ＣＶＤ）のうち、特に気相エピタクシーをいう。
【００３２】
有機金属化学気相成長法に用いる材料としては、ＩＩＩ族化合物のアルミニウムＡｌの材料として、トリメチルアルミニウム（ＣＨ３）３Ａｌおよびトリエチルアルミニウム（Ｃ２Ｈ５）３Ａｌ、ガリウムＧａの材料としてトリメチルガリウム（ＣＨ３）３Ｇａおよびトリエチルガリウム（Ｃ２Ｈ５）３Ｇａ、インジウムＩｎの材料としてトリメチルインジウム（ＣＨ３）３Ｉｎおよびトリエチルインジウム（Ｃ２Ｈ５）３Ｉｎ、そしてタリウムＴｌの材料としてトリメチルタリウム（ＣＨ３）３Ｔｌおよびトリエチルタリウム（Ｃ２Ｈ５）３Ｔｌなどが使用可能である。Ｖ族化合物のリンＰの材料としてホスフィンＰＨ３およびターシャリーブチルホスフィンＴＢＰ、ヒ素Ａｓの材料としてアルシンＡｓＨ３およびターシャリーブチルアミンＴＢＡ、アンチモンＳｂの材料としてＳｂＨ３、窒素Ｎの材料としてＮＨ３およびＮ２などが使用可能である。
【００３３】
本発明の方法の第１の局面では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶成長初期における、Ｖ族元素のモル流量を、通常成長時のＶ族元素のモル流量よりも大きくする。
【００３４】
１つの実施態様では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、少なくともＧａＰを含む。
【００３５】
この実施態様によれば、ヒロックとよばれる結晶欠陥が低減したバンドギャップの大きいＧａＰ層を結晶成長することができ、ＧａＰ層を有する半導体発光素子に適用した場合、電流拡散層の結晶性の低下に起因する発光効率の低下、および電極形成時の凹凸に起因するはがれなどの歩留り低下などの問題点が改善される。
【００３６】
１つの実施態様では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、少なくともＧａｘＩｎ１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）を含む。
【００３７】
この実施態様によれば、Ｉｎを含むことによりさらにヒロックと呼ばれる結晶欠陥が低減される。Ｉｎ原子はＰ原子との結合エネルギーが小さいため、成長中、成長表面を拡散しやすく、結晶欠陥の発生が抑制される。
【００３８】
１つの実施態様では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、少なくともＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む。
【００３９】
この実施態様によれば、Ａｌを含むことによりバンドギャップが大きくでき、さらにヒロックと呼ばれる結晶欠陥が低減される。
【００４０】
１つの実施態様では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、少なくともＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）を含む。
【００４１】
この実施態様によれば、本発明の効果が、ＡｌＧａＡｓ層およびＡｌＧａＡｓ系半導体発光素子において得られる。
【００４２】
１つの実施態様では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、少なくともＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む。
【００４３】
この実施態様によれば、本発明の効果が、ＡｌＧａＩｎＡｓ層およびＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体発光素子において得られる。
【００４４】
１つの実施態様では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、少なくともＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む。
【００４５】
この実施態様によれば、本発明の効果が、ＡｌＧａＩｎＮ層およびＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体発光素子において得られる。
【００４６】
１つの実施態様では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、少なくともＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を含む。
【００４７】
この実施態様によれば、本発明の効果が、ＩｎＧａＡｓＰ層およびＩｎＧａＡｓＰ系半導体発光素子において得られる。
【００４８】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶成長は、所望の積層構造に応じて、任意の層上で行うことができる。１つの実施態様においては、発光部の上部クラッド層の上で結晶成長が行われ、また１つの実施態様では、発光部の上部クラッド層の上の電流阻止層の上で結晶成長が行われる。
【００４９】
「結晶成長初期」は、少なくとも結晶成長の開始時点を含む、結晶成長初期の期間をいう。好ましくは、結晶成長の開始から所望の層の厚みの４分の１の厚みが形成されるまで、より好ましくは、結晶成長の開始から所望の層の厚みの２分の１の厚みが形成されるまでの期間をいう。
【００５０】
「通常成長時」は、結晶成長初期以後の結晶成長期間をいう。
【００５１】
「Ｖ族元素のモル流量」は、結晶成長のために流入されるＶ族元素の単位時間あたりのモル数であり、結晶成長初期では、好ましくは１．０５×１０−４〜１．０５モル／分である。
【００５２】
Ｖ族元素のモル流量は、通常成長時では、好ましくは１×１０−４〜１モル／分である。
【００５３】
結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量は、通常成長時よりも大きくする。好ましくは、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量は、通常成長時よりも１．０５倍以上大きくする。より好ましくは、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量は、通常成長時よりも１．１倍以上大きくする。
【００５４】
１つの実施態様において、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量は、通常成長時よりも１．２倍以上大きくする。
【００５５】
この実施態様によれば、本発明の効果がより効率的に得られる。さらに、Ｖ族元素の消費量を低減できるという利点がある。
【００５６】
一方、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量の上限は特に規定されないが、好ましくは通常成長時の２倍以下とする。
【００５７】
ここで、結晶成長初期および通常成長時における、Ｖ族元素およびＩＩＩ族元素のモル流量は、最終的に形成されるＩＩＩ−Ｖ族化合物層が単結晶となり、かつその中のＩＩＩ族元素対Ｖ族元素の比率が１：１となるように調整される。
【００５８】
ここで、Ｖ族元素のモル流量を大きくしても、ＩＩＩ族元素対Ｖ族元素の比率が１：１の単結晶が得られるのは、Ｖ族元素のモル流量が大きくても、本明細書中に開示されるような条件範囲では、Ｖ族元素とＩＩＩ族元素との化学的相互作用のために、量論比が１：１となるからである。
【００５９】
上記の方法により提供されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、所望の半導体設計に応じて任意の厚みとすることができる。
【００６０】
１つの実施態様では、上記の方法により提供されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の厚みは、２μｍ以上である。
【００６１】
この実施態様によれば、従来、結晶欠陥による問題が特に著しかった、層厚が２μｍ以上有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体における結晶欠陥が改善される。
【００６２】
本発明の方法を実施するための装置、材料、製造条件などは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶成長のための従来公知の任意の装置および製造条件が使用され得る。好ましくは、装置として、ＭＯＣＶＤ装置などが使用可能である。
【００６３】
本発明の方法の第２の局面において、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量のＩＩＩ族元素のモル流量に対する比を、通常成長時におけるＶ族元素のモル流量のＩＩＩ族元素のモル流量に対する比よりも大きくする。
【００６４】
結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量の、ＩＩＩ族元素のモル流量に対する比は、好ましくは、通常成長時よりも１．０５倍以上大きくする。より好ましくは、１．１倍以上大きくする。
【００６５】
１つの実施態様において、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量の、ＩＩＩ族元素のモル流量に対する比は、通常成長時におけるＶ族元素のモル流量の、ＩＩＩ族元素のモル流量に対する比よりも１．２倍以上大きくする。
【００６６】
この実施態様によれば、全体のモル流量を小さくできるという利点がある。
【００６７】
一方、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量のＩＩＩ族元素のモル流量に対する比の上限は特に規定されないが、好ましくは通常成長時の２倍以下とする。
【００６８】
なお、結晶成長初期および通常成長時における、Ｖ族元素およびＩＩＩ族元素のモル流量は、最終的に形成されるＩＩＩ−Ｖ族化合物層中のＩＩＩ族元素対Ｖ族元素の比率が１：１となるように調整される。
【００６９】
ここで、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量のＩＩＩ族元素のモル流量に対する比を大きくしても、ＩＩＩ族元素対Ｖ族元素の比率が１：１の単結晶が得られるのは、Ｖ族元素のモル流量が大きくても、本明細書中に開示されるような条件範囲では、Ｖ族元素とＩＩＩ族元素との化学的相互作用のために、量論比が１：１となるからである。
【００７０】
結晶成長初期、および通常成長時のＶ族元素のモル流量は、それぞれ、本発明の第１の局面について上述したモル流量が適用可能である。
【００７１】
「ＩＩＩ族元素のモル流量」は、結晶成長のために流入されるＩＩＩ族元素の単位時間あたりのモル数であり、結晶成長初期では、好ましくは１×１０−５〜１×１０−３モル／分である。
【００７２】
ＩＩＩ族元素のモル流量は、通常成長時では、好ましくは１×１０−５〜１×１０−３モル／分である。
【００７３】
結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量のＩＩＩ族元素のモル流量に対する比は、好ましくは１０〜１０００である。
【００７４】
通常成長時におけるＶ族元素のモル流量のＩＩＩ族元素のモル流量に対する比は、好ましくは１０〜１０００である。
【００７５】
本発明の方法の第２の局面において、上記以外の、用語の定義、装置、材料、製造条件などについては、第１の局面について上述したものが適用可能である。
【００７６】
本発明の方法の第３の局面では、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の結晶成長初期の成長温度が、通常成長時の成長温度よりも高い。
【００７７】
ここで、成長温度とは、ＩＩＩ−Ｖ族化合物が結晶成長する時のＩＩＩ−Ｖ族化合物の温度をいう。
【００７８】
結晶成長初期の成長温度は、通常成長時の成長温度よりも、好ましくは、１０℃以上高い。
【００７９】
１つの実施態様では、結晶成長初期の成長温度が、通常成長時の成長温度よりも１０℃以上高い。この実施態様によれば、上記効果に加えて、基板温度を低くすることができ、ドーパントの拡散などを抑制できる。この実施態様により形成されたＩＩＩ−Ｖ族化合物層を含む半導体発光素子の特性は、良好に保たれ得る。
【００８０】
結晶成長初期の成長温度の上限は、特に規定されないが、通常成長時の成長温度を１００℃以上越えないことが好ましく、通常成長時の成長温度を８０℃以上越えないことがより好ましい。
【００８１】
したがって、結晶成長初期の成長温度は、好ましくは、６９０〜８６０℃である。通常成長時の成長温度は、好ましくは、６８０〜８５０℃である。
【００８２】
本発明の方法の第３の局面において、上記以外の、用語の定義、装置、材料、製造条件などについては、第１の局面について上述したものが適用可能である。
【００８３】
次に、本発明の半導体発光素子について説明する。
【００８４】
本発明の半導体発光素子は、基板１と、基板の上の、下部クラッド層３、活性層４、および上部クラッド層５を有する発光部８と、発光部８の上の、厚みが２μｍ以上であるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７を有する半導体発光素子であって、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７が、上記本発明の方法のいずれかにより形成されている。
【００８５】
基板１は、その上にエピタキシャル成長する半導体であり、従来公知の材料を使用することができ、例えば、ＧａＡｓなどが好ましい。また基板１は、従来公知の方法により製造することができる。
【００８６】
基板１の厚みは、所望の半導体設計に応じて任意の厚みが選択され得るが、好ましくは３００〜４００μｍである。
【００８７】
下部クラッド層３は、キャリアを活性層に閉じ込める層であり、従来公知の材料を使用することができ、例えば、ＡｌＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＡｓなどが好ましい。また下部クラッド層３は、従来公知の方法により製造することができる。例えば、ＭＯＣＶＤ装置により製造することができる。
【００８８】
下部クラッド層３の厚みは、所望の半導体設計に応じて任意の厚みが選択され得るが、好ましくは０．５〜２μｍである。
【００８９】
活性層４は、発光する層であり、従来公知の材料を使用することができ、例えば、ＡｌＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＡｓなどが好ましい。また活性層４は、従来公知の方法により製造することができる。例えば、ＭＯＣＶＤ装置により製造することができる。
【００９０】
活性層４の厚みは、所望の半導体設計に応じて任意の厚みが選択され得るが、好ましくは０．００１〜２μｍである。
【００９１】
上部クラッド層５は、キャリアを活性層に閉じ込める層であり、従来公知の材料を使用することができ、例えば、ＡｌＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＡｓなどが好ましい。また上部クラッド層５は、従来公知の方法により製造することができる。例えば、ＭＯＣＶＤ装置により製造することができる。
【００９２】
上部クラッド層５の厚みは、所望の半導体設計に応じて任意の厚みが選択され得るが、好ましくは０．５〜１０μｍである。
【００９３】
下部クラッド層３、活性層４、および上部クラッド層５は、発光部８を形成する。
【００９４】
本発明の半導体発光素子において、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７は、厚みが２μｍ以上である。
【００９５】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７の材料および製造方法などは、本発明の方法として上述した通りである。
【００９６】
本発明の半導体発光素子の１つの実施態様においては、上部クラッド層５とＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層７との間に電流阻止層６を有する。
【００９７】
この実施態様によれば、電流拡散層での電流をさらに広げることができ、発光効率を増加することができる。
【００９８】
電流阻止層６は、電流を狭窄する層であり、従来公知の材料を使用することができ、例えば、ＡｌＧａＩｎＰおよびＡｌＧａＡｓなどが好ましい。また電流阻止層６は、従来公知の方法により製造することができる。例えば、ＭＯＣＶＤ法により製造することができる。
【００９９】
電流阻止層６の厚みは、所望の半導体設計に応じて任意の厚みが選択され得るが、好ましくは０．１〜１μｍである。
【０１００】
以下に、本発明の具体的な実施例について説明する。以下の実施例は、すべて例示を目的とする、非限定的なものである。
【０１０１】
【実施例】
（実施例１）
図１は本発明の第１の実施例による化合物半導体の結晶成長法を用いたＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光素子からなる半導体発光素子の断面図である。この図を用いて、第１の実施例を説明する。
【０１０２】
まず、以下の各層を順次積層成長した。
（１）ｎ−ＧａＡｓ基板１、
（２）ｎ−ＧａＡｓバッファ層２（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（３）ｎ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層３（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）厚み１．０μｍ、
（４）（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）活性層４（ｘ＝０．３、ｙ＝０．５）、厚み０．５μｍ、
（５）ｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層５（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、（６）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）中間層６、厚み０．１μｍ、
（７）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）電流拡散層７（ｘ＝０．１０、ｙ＝０．９０、Ｚｎ濃度１×１０１８ｃｍ−３）、厚み５μｍ。
【０１０３】
上記（１）〜（７）の各層は、ＭＯＣＶＤ法を用い、ＭＯＣＶＤ装置により、成長温度７００℃で形成した。
【０１０４】
次に、ｎ型電極１０およびｐ型電極１１を形成して、半導体発光素子を完成した。
【０１０５】
本実施例では、電流拡散層７を形成した際に、最初の約１μｍ程度を初期成長とし、残りの約４μｍを通常成長とした。
【０１０６】
Ｖ族元素のモル流量は、初期成長時において、１．２×１０−３モル／分であり、通常成長時において１．０×１０−３モル／分であった。ＩＩＩ族元素のモル流量は、初期成長時において、２．０×１０−５モル／分であり、通常成長時において２．０×１０−５モル／分であった。
【０１０７】
また、成長温度は、初期成長時において、７００℃であり、通常成長時において７００℃であった。
【０１０８】
本実施例でのｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ電流拡散層７を成長した時の、ＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比（以下Ｖ／ＩＩＩと記す）の層厚方向での、通常成長時に対する比率を図９に示す。（したがって、この比率は、通常成長時は、１である）
本実施例では、成長初期のＶ／ＩＩＩを６０とし、その後、徐々に減少させて通常成長時のＶ／ＩＩＩを５０とした。したがって、通常成長時のＶ／ＩＩＩに対する成長初期のＶ／ＩＩＩの比は１．２である。
【０１０９】
本実施例により作製したＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子は、電流拡散層にｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層を用いている。このタイプの半導体発光素子では、ヒロックとよばれる結晶欠陥は従来、１０００個／ｃｍ−２程度発生していたが、本実施例では、５００個／ｃｍ−２程度に半減された。
【０１１０】
この理由としては、以下のように考えられる。
【０１１１】
従来ＡｌＧａＩｎＰ層等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は結晶中で、Ｇａ原子やＩｎ原子などのＩＩＩ族元素とＶ族元素であるＰ原子の結合が強くないため、Ｖ族元素であるＰ原子が解離しやすく、成長中にヒロックとよばれる結晶欠陥が発生しやすい原因となっていた。そこで、この結晶成長中のＶ族元素であるＰ原子のモル流量を増加すると、Ｖ族元素であるＰ原子の解離が減少しヒロックとよばれる結晶欠陥の発生も抑制されると考えられる。
【０１１２】
また、本実施例で確認された効果には、成長初期のＶ族元素の流量が大きく寄与していると考えられる。なぜなら、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を含む複数の層を有する半導体を成長した場合、成長界面で結晶欠陥が発生しやすいと考えられるからである。
【０１１３】
さらに、通常成長時のＶ／ＩＩＩに対する成長初期のＶ／ＩＩＩの比を各種の値に変更して本実施例を実施し、得られた各半導体発光素子のヒロック欠陥密度を測定した。その結果を図１０に示す。本図より、通常成長時のＶ／ＩＩＩに対する、成長初期のＶ／ＩＩＩの比が１．２以上であれば１００ｃｍ−２以下に結晶欠陥密度が減少することがわかる。
【０１１４】
本実施例では、成長初期の１μｍ程度のみＶ族元素のモル流量を増加させることにより、ヒロックと呼ばれる結晶欠陥が、上記のように顕著に減少する結果が得られた。Ｖ族元素の消費量も従来よりほとんど増加せず、発光効率および歩留りが改善された。特性では波長５９０ｎｍの黄色半導体発光素子で従来より発光効率が１０％上昇し、歩留りも１０％増加した。
【０１１５】
（実施例２）
図２は本発明の第２の実施例による化合物半導体の結晶成長法を用いたＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光素子である半導体発光素子の断面図である。この図を用いて、第２の実施例を説明する。
【０１１６】
まず、以下の各層を順次積層した。
（１）ｎ−ＧａＡｓ基板２１
（２）ｎ−ＧａＡｓバッファ層２２（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（３）ｎ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層２３（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（４）（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）活性層２４（ｘ＝０．４５、ｙ＝０．５）、厚み０．５μｍ、
（５）ｐ（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層２５（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、（６）ｐ−ＩｎｘＧａ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１）中間層２６（Ｚｎ濃度１×１０１８ｃｍ−３）、厚み０．１μｍ、
（７）ｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）電流拡散層２７（ｘ＝０．５０、ｙ＝０．２０、Ｚｎ濃度１×１０１８ｃｍ−３）、厚み５μｍ。
【０１１７】
次に、ｎ型電極２１０およびｐ型電極２１１を形成して、半導体発光素子を完成した。
【０１１８】
図１１に本実施例でのｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ電流拡散層の層厚方向での成長温度を示す。成長初期の１μｍ程度は７５０℃で成長し、その後、７３０℃で成長した。
【０１１９】
本実施例により作製したＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子には、電流拡散層にｐ−ＡｌＧａＩｎＰ層を用いた。このタイプの半導体発光素子では、ヒロックとよばれる結晶欠陥は従来、１０００個／ｃｍ−２程度発生していたが、本実施例では、５００個／ｃｍ−２程度に半減された。
【０１２０】
この理由としては、従来ＡｌＧａＩｎＰ層等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は結晶中で、Ｇａ原子やＩｎ原子などのＩＩＩ族元素とＶ族元素であるＰ原子の結合が強くないため、Ｖ族元素であるＰ原子が解離しやすく、成長中にヒロックとよばれる結晶欠陥が発生しやすい原因となっていた。ここで、成長温度を上昇させると、Ｖ族元素であるＰ原子は解離しやすくなるが、同時に表面上でのマイグレーション（拡散）が活発となり、ヒロックとよばれる結晶欠陥の発生も抑制される。
【０１２１】
また、本実施例の効果は、成長初期の成長温度が大きく寄与していると考えられる。なぜなら、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を含む複数の層を有する半導体を成長した場合、成長界面で結晶欠陥が発生しやすいと考えられるからである。
【０１２２】
さらに、成長初期の温度を各種の値に変更して本実施例を実施し、得られた各半導体発光素子のヒロック欠陥密度を測定した。その結果を図１２に示す。本図より、成長初期の温度を通常成長時の温度よりも１０℃以上高くすることにより、５００ｃｍ−２以下に結晶欠陥密度が減少することがわかる。
【０１２３】
本実施例では、成長初期の０．５μｍ程度のみ成長温度を上昇させることにより、ヒロックについて、実施例１とほぼ同様の結果が得られた。電流拡散層からのドーパントの活性層への拡散も従来よりほとんど増加せず、発光効率および歩留りが改善された。特性では波長５９０ｍｍの黄色半導体発光素子で従来より発光効率が１０％、歩留りも１０％増加した。
【０１２４】
（実施例３）
図３は本発明の第３の実施例による化合物半導体の結晶成長法を用いたＡｌＧａＩＡｓ系化合物半導体発光素子である半導体発光素子の断面図である。この図を用いて、第３の実施例を説明する。本実施例では、第１、２の実施例の両方を合わせた方法を適用した。すなわち、ＩＩＩ族およびＶ族の各元素のモル流量の条件は、実施例１と同一とし、温度条件については、実施例２と同一とした。
【０１２５】
まず、以下の各層を積層した。
（１）ｎ−ＧａＡｓ基板３１上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層３２（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（２）ｎ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層３３（ｘ＝０．３、ｙ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（３）（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）活性層３４（ｘ＝０、ｙ＝０．５）、厚み０．５μｍ、
（４）Ｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層３５（ｘ＝０．３、ｙ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（５）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）中間層３６（ｘ＝０．２、ｙ＝０．６、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．１μｍ、
（６）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）電流拡散層３７（ｘ＝０．６、ｙ＝０．２、Ｚｎ濃度３×１０１８ｃｍ−３）、厚み５μｍ。
【０１２６】
次に、ｎ型電極３１０およびｐ型電極３１１を形成して、半導体発光素子が完成した。
【０１２７】
図１３Ａに本実施例での電流拡散層のＶ／ＩＩＩ比の層厚方向での比率を示し、図１３Ｂに、成長温度の差を示す。従来の発光素子では１０００個／ｃｍ−２程度発生したが、Ｖ／ＩＩＩ比による効果と成長温度の両方の効果により、本実施例では、１０個／ｃｍ−２程度（従来の１／５０）まで大幅に低減された。
【０１２８】
得られた半導体発光素子は、発光効率および歩留りが改善された。特性では波長１０２０ｎｍの半導体発光素子で従来より発光効率が３０％、歩留りも３０％増加した。
【０１２９】
（実施例４）
図４は本発明の第４の実施例によるＡｌＧａＡｓ系化合物半導体発光素子である半導体発光素子の断面図である。この図を用いて、第４の実施例を説明する。第１の実施例と異なる点は、材料系がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層で形成したことであり、電流拡散層の下に組成の異なる中間層を設け、この層から本発明を適用したことである。
【０１３０】
まず、以下の各層を積層した。
（１）ｎ−ＧａＡｓ基板４１、
（２）ｎ−ＧａＡｓバッファ層４２（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（３）ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）クラッド層４３（ｘ＝０．７、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（４）ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）活性層４４（ｘ＝０．０５）、厚み０．５μｍ、
（５）ｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）クラッド層４５（ｘ＝０．７、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（６）ｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）中間層４６（ｘ＝０．１０、Ｚｎ濃度１×１０１８ｃｍ−３）、厚み０．１μｍ、
（７）ｐ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）電流拡散層４７（ｘ＝０．８０、Ｚｎ濃度５×１０１８ｃｍ−３）、厚み５μｍ、
（８）ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、厚み０．１μｍ。
【０１３１】
次に、ｎ型電極４１０およびｐ型電極４１１を形成して、半導体発光素子を完成した。
【０１３２】
図１４に本実施例での中間層４６および電流拡散層４７の層厚方向でのＶ／ＩＩＩの比を示す。従来のＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ電流拡散層を用いた発光素子では３０００個／ｃｍ−２程度ヒロックと呼ばれる結晶欠陥が発生したが、本実施例では、１００個／ｃｍ−２程度と（従来の約１／３０）まで大幅に低減された。
【０１３３】
このようにして得られた半導体発光素子では、発光効率および歩留りが改善され、特性では波長８５０ｍｍの赤外半導体発光素子で従来より発光効率が３０％、歩留りも３０％増加した。
【０１３４】
さらに、本実施例では、電流拡散層４７の材料として、ＧａＰ層、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）層、およびＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）層のそれぞれを用いて同様に半導体発光素子を作製した。その結果、同様に結晶欠陥のヒロック数を大幅に低減できた。
【０１３５】
（実施例５）
図５は本発明の第５の実施例によるＡｌＧａＩｎＮ系化合物半導体発光素子である半導体発光素子の断面図である。この図を用いて、第５の実施例を説明する。他の実施例と異なる点は、発光部であるクラッド層から本発明を適用したことである。
【０１３６】
まず、以下の各層を積層した。
（１）サファイア基板５１、
（２）ｎ−ＡｌＩｎＮバッファ層５２（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（３）ｎ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）クラッド層５３（ｘ＝０．２、ｙ＝０．８、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（４）ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）活性層５４（ｘ＝０、ｙ＝０．９）、厚み０．５μｍ、
（５）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）クラッド層５５（ｘ＝０．２、ｙ＝０．８、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（６）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）中間層５６（ｘ＝０．５、ｙ＝０．５、Ｚｎ濃度１×１０１８ｃｍ−３）厚み０．１μｍ、
（７）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）電流拡散層５７（ｘ＝０．８、ｙ＝０．２、Ｚｎ濃度２×１０１８ｃｍ−３）、厚み５μｍ。
【０１３７】
次に、ｎ型電極５１０およびｐ型電極５１１を形成して、半導体発光素子を完成した。
【０１３８】
図１５に本実施例でのクラッド層５５、中間層５６および電流拡散層５７の層厚方向でのＶ／ＩＩＩの比を示す。従来のＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ電流拡散層を用いた発光素子では３０００個／ｃｍ−２程度ヒロックと呼ばれる結晶欠陥が発生したが、本実施例では、１００個／ｃｍ−２程度（従来の約１／３０）まで大幅に低減された。また本実施例では成長温度を１０００℃とした。
【０１３９】
このようにして得られた半導体発光素子は、発光効率および歩留りが改善された。特性では波長４６０ｍｍの青色半導体発光素子で従来より発光効率が３０％上昇し、そして歩留りも５０％増加した。
【０１４０】
（実施例６）
図６は本発明の第６の実施例によるＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光素子である半導体発光素子の断面図である。この図を用いて、第６の実施例を説明する。第１の実施例と異なる点は、クラッド層６５と電流拡散層６７の間の中央部に電流阻止層６９を設けていることである。
【０１４１】
まず、以下の各層を積層した。
（１）ｎ−ＧａＡｓ基板６１、
（２）ｎＧａＡｓバッファ層６２（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（３）ｎ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層６３（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（４）（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）活性層６４（ｘ＝０．１５、ｙ＝０．５）、厚み０．５μｍ、
（５）ｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層６５（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（６）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）中間層６６（ｘ＝０．２、ｙ＝０．７、Ｚｎ濃度１×１０１８ｃｍ−３）厚み０．１μｍ
（７）ｎ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）電流阻止層６９（ｘ＝０．１、ｙ＝０．８、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（８）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）電流拡散層６７（ｘ＝０．１、ｙ＝０．８、Ｚｎ濃度５×１０１８ｃｍ−３）、厚み５μｍ。
【０１４２】
ｎ型電極６１０およびｐ型電極６１１を形成して半導体発光素子を完成した。
【０１４３】
本実施例では、クラッド層６５と電流拡散層６７の間の中央部に電流阻止層６９を設けた。このことにより、電極６１１から注入された電流は電流拡散層６７でさらに拡がり、光取り出し効率はさらに向上した。
【０１４４】
特性では波長６１０ｎｍの燈色半導体発光素子で従来より発光効率が４０％に増加した。
【０１４５】
（実施例７）
図７は本発明の第７の実施例によるＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光素子である半導体発光素子の断面図である。この図を用いて、第７の実施例を説明する。第６の実施例と異なる点は、クラッド層７５と電流拡散層７７の間の電流阻止層７９が周辺部に設けたことである。
【０１４６】
まず、以下の各層を積層した。
（１）ｎ−ＧａＡｓ基板７１、
（２）ｎ−ＧａＡｓバッファ層７２（Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（３）ｎ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層７３（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（４）（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）活性層７４（ｘ＝０．１５、ｙ＝０．５）、厚み０．５μｍ、
（５）ｐ−（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）クラッド層７５（ｘ＝１．０、ｙ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み１．０μｍ、
（６）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）中間層（ｘ＝０．２、ｙ＝０．７、Ｚｎ濃度１×１０１８ｃｍ−３）７６、厚み０．１μｍ、
（７）ｎ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）電流阻止層７９（ｘ＝０．１、ｙ＝０．８、Ｓｉ濃度５×１０１７ｃｍ−３）、厚み０．５μｍ、
（８）ｐ−ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）電流拡散層７７（ｘ＝０．１、ｙ＝０．８、Ｚｎ濃度５×１０１８ｃｍ−３）厚み５μｍ。
【０１４７】
ｎ型電極７１０およびｐ型電極７１１を形成して半導体発光素子を完成した。
【０１４８】
本実施例では、クラッド層７５と電流拡散層７７の間の電流阻止層７９が周辺部に設けられており、このことにより、電極７１１から注入された電流は電流拡散層７７で中央部に集中し、光取り出し効率がさらに向上する。特性では波長６１０ｎｍの燈色半導体発光素子で従来より発光効率が４０％増加した。
【０１４９】
さらに、上記実施例１〜７において各層の組成比ｘおよびｙを適宜変更して、同様に半導体発光素子を作製した。その結果、いずれにおいても、本発明の効果が十分に得られた。
【０１５０】
また、電流狭窄の構造が異なってもすべての半導体発光素子に適用可能であり、本発明の効果が得られる。
【０１５１】
また、上記実施例では、電流拡散層のドーパントにＺｎを用いたが、Ｚｎの代わりに、ＭｇまたはＢｅなどの他のドーパントを用いても、同様の効果があった。さらに、ＳｉやＳｅ、Ｔｅ等のｎ型のドーパントを用いた場合でも同様の効果があった。また、他の材料として、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ系についても同様の実験を行った結果、同様の本発明の効果が得られた。
【０１５２】
【発明の効果】
本発明の方法によれば、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量が、通常成長時のＶ族元素のモル流量よりも大きいことにより、もしくは結晶成長初期におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比が、通常成長時におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比よりも大きいことにより、または結晶成長初期の成長温度が、通常成長時の成長温度よりも高いことにより、ヒロックとよばれる結晶欠陥が低減されたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長することができる。この方法を半導体発光素子に適用した場合、電流拡散層の結晶性の低下に起因する発光効率の低下、および電極形成時の凹凸に起因するはがれなどの歩留り低下などの問題点が改善される。
【０１５３】
本発明の化合物半導体発光素子によれば、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量が、通常成長時のＶ族元素のモル流量よりも大きいことにより、もしくは結晶成長初期におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比が、通常成長時におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比よりも大きいことにより、または結晶成長初期の成長温度が、通常成長時の成長温度よりも高いことにより、ヒロックとよばれる結晶欠陥が低減し、電流拡散層の結晶性の低下に起因する発光効率が増加するとともに、電極形成時の凹凸に起因するはがれなどが低減するために歩留りが大幅に改善される。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の方法を用いて形成された半導体発光素子の断面図。
【図２】実施例２の方法を用いて形成された半導体発光素子の断面図。
【図３】実施例３の方法を用いて形成された半導体発光素子の断面図。
【図４】実施例４の方法を用いて形成された半導体発光素子の断面図。
【図５】実施例５の方法を用いて形成された半導体発光素子の断面図。
【図６】実施例６の方法を用いて形成された半導体発光素子の断面図。
【図７】実施例７の方法を用いて形成された半導体発光素子の断面図。
【図８】従来例の半導体発光素子の断面図。
【図９】実施例１の方法を用いて形成された電流拡散層７の層厚方向のＶ／ＩＩ１の比を示すグラフ。
【図１０】実施例１の方法における、電流拡散層７の、通常成長時に対する成長初期のＶ／ＩＩＩの比と、ヒロックと呼ばれる結晶欠陥の発生密度との関係を示すグラフ。
【図１１】実施例２の方法を用いて形成された電流拡散層２７の層厚方向の成長初期とそれ以降の成長温度の差を示すグラフ。
【図１２】実施例２の方法における、電流拡散層２７の層厚方向の成長初期と通常成長時との成長温度の差と、ヒロックと呼ばれる結晶欠陥の発生密度との関係を示すグラフ。
【図１３Ａ】実施例３の方法を用いて形成された電流拡散層３７の層厚方向のＶ／ＩＩＩの比を示すグラフ。
【図１３Ｂ】実施例３の方法を用いて形成された電流拡散層３７の成長初期と通常成長時との成長温度の差を示すグラフ。
【図１４】実施例４の方法を用いて形成された中間層４６および電流拡散層４７の層厚方向のＶ／ＩＩＩの比を示すグラフ。
【図１５】実施例５を用いて形成されたクラッド層５５と中間層５６と電流拡散層５７の層厚方向のＶ／ＩＩＩの比を示すグラフ。
【符号の説明】
１、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１ 基板
２、２２、３２、４２、５２、６２、７２、８２ バッファ層
３、２３、３３、４３、５３、６３、７３、８３ 下部クラッド層
４、２４、３４、４４、５４、６４、７４、８４ 活性層
５、２５、３５、４５、５５、６５、７５、８５ 上部クラッド層
６、２６、３６、４６、５６、６６、７６ 中間層
７、２７、３７、４７、５７、６７、７７、８７ 電流拡散層
８ 発光部
１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、７１０、８１０ ｎ型電極
１１、２１１、３１１、４１１、５１１、６１１、７１１、８１１ ｐ型電極
Claims (17)
- ＩＩＩ−Ｖ族化合物を有する層を含む、組成が異なる複数の層を有する半導体中の、該ＩＩＩ−Ｖ族化合物を有する層を形成するための化合物半導体の結晶成長方法であって、
有機金属化学気相成長法によりＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させる工程を包含し、
ここで、結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量が、通常成長時のＶ族元素のモル流量よりも大きくされるとともに、ＩＩＩ族元素のモル流量が、結晶成長初期および通常成長時において一定である、方法。 - 請求項１に記載の方法であって、前記結晶成長初期におけるＶ族元素のモル流量が、通常成長時のＶ族元素のモル流量よりも１．２倍以上、２倍以下である、方法。
- ＩＩＩ−Ｖ族化合物を有する層を含む、組成が異なる複数の層を有する半導体中の、該ＩＩＩ−Ｖ族化合物を有する層を形成するための化合物半導体の結晶成長方法であって、
有機金属化学気相成長法によりＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を結晶成長させる工程を包含し、
ここで、結晶成長初期におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比が、通常成長時におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比よりも大きくされるとともに、ＩＩＩ族元素のモル流量が、結晶成長初期および通常成長時において一定である、方法。 - 請求項３に記載の方法であって、前記結晶成長初期におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比が、通常成長時におけるＩＩＩ族元素のモル流量に対するＶ族元素のモル流量の比よりも１．２倍以上、２倍以下である、方法。
- 前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、ＧａＰを含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、ＧａｘＩｎ１−ｘＰ（０＜ｘ≦１）を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＰ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、ＡｌｘＧａ１−ｘＰ（０≦ｘ≦１）を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＡｓ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
- 前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体が、ＩｎｘＧａ１−ｘＡｓｙＰ１−ｙ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
- 請求項１〜１１に記載の方法であって、前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の厚みが２μｍ以上である、方法。
- 基板と、基板の上の、下部クラッド層、活性層、および上部クラッド層を有する発光部と、該発光部の上の、厚みが２μｍ以上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有する半導体発光素子であって、
該ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、請求項１に記載の方法で形成された層である、半導体発光素子。 - 基板と、基板の上の、下部クラッド層、活性層、および上部クラッド層を有する発光部と、該発光部の上の、厚みが２μｍ以上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有する半導体発光素子であって、
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、請求項２に記載の方法で形成された層である、半導体発光素子。 - 基板と、基板の上の、下部クラッド層、活性層、および上部クラッド層を有する発光部と、該発光部の上の、厚みが２μｍ以上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有する半導体発光素子であって、
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、請求項３に記載の方法で形成された層である、半導体発光素子。 - 基板と、基板の上の、下部クラッド層、活性層、および上部クラッド層を有する発光部と、該発光部の上の、厚みが２μｍ以上のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とを有する半導体発光素子であって、
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、請求項４に記載の方法で形成された層である、半導体発光素子。 - 請求項１３〜１６のうちのいずれか１項に記載の半導体発光素子であって、
前記上部クラッド層と前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層との間に電流阻止層を有する、半導体発光素子。
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