JP5519355B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体発光素子及びその製造方法に関する。
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いた半導体発光素子は、赤色を中心とした発光ダイオードなどの発光素子の代表例である。素子の構成はおおよそ次のようなものが多い（たとえば、特許文献１及び２参照）。
成長基板にはＧａＡｓ基板を用いることが一般的である。その上に、ｎ型Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＰクラッド層、活性層、ｐ型Ａｌ（Ｇａ）ＩｎＰクラッド層、電流拡散層の順に成長させる。クラッド層には、ｎ型ドーパントとしてはＳｉ、Ｔｅ、Ｓｅを、ｐ型ドーパントとしてはＺｎやＭｇを使用する。活性層は、ＡｌＧａＩｎＰやＩｎＧａＰのバルク層、もしくはＡｌＧａＩｎＰやＩｎＧａＰを用いた量子井戸層で構成される。いずれの場合もクラッド層のＡｌ組成を、活性層に対して高くする。電流拡散層はＧａＰ、ＡｌＧａＡｓで構成されることが多い。
近年の高輝度、高効率ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの開発アイテムの一つとして、金属ミラー面を利用した発光素子があげられる。成長基板であるＧａＡｓ基板にＡｌＧａＩｎＰ系半導体からなる発光層等の半導体層を形成する。一方で、支持基板であるＳｉ基板などに金属層を積層しておき、半導体層と支持基板とを金属層を介して貼り合わせる。その後、成長基板であるＧａＡｓ基板をウエットエッチングなどにより除去する。更に、光取り出し構造をＡｌＧａＩｎＰ発光層の表面に形成することで、光取り出し効率の高い半導体発光素子を作製することができる（たとえば、特許文献３参照）。金属層を介して貼り合わせた高輝度、高効率発光ダイオードをメタルボンディング（metal bonding ; MB）タイプと称する。ＭＢタイプの発光ダイオードは、発光された光を吸収するＧａＡｓ基板を除去することと、光取り出し面でない方向に発光された光を反射することとで、光取り出し効率の向上を実現している。
金属ミラー（反射面）の反射率の改良に関する発明が開示されている（たとえば、特許文献４及び５参照）。特許文献４及び５には、正反射特性をもつ反射面の構成が示されている。発光層から光取り出し面でない方向に放射された光は、反射面で正反射されて光取り出し面側に向かう。光取り出し面に入射する光のうち、臨界角より小さい入射角で入射する光が取り出され、光取り出し効率が改善される。臨界角より大きい入射角をもつ光は、半導体層内部を伝播しつづけ、最終的に半導体層により吸収されて外部に取り出すことはできない。
反射面に隣接する半導体層の表面をウエットエッチングで処理して異方性凹凸面を形成し、光の取り出し効率を向上させる発明が、本願発明者らによってなされている（たとえば、特許文献６参照）。異方性凹凸がなければ、反射面で反射された後、光取り出し面に臨界角より大きい入射角で入射するはずの光も、取り出すことが可能となる。
しかしウエットエッチングで半導体層に異方性凹凸を形成する場合、以下の二つの課題があった。第一に、エッチングする工程が増える。第二に、異方性凹凸は結晶方位方向に形成されやすい。結晶方位方向に規則性が存在するため、更に光取り出し効率を向上させる余地が残る。
ところでＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子の活性層には、所望の発光波長を得られるような単層組成のほか、量子井戸構造が採用されることが多い。高輝度半導体発光素子の開発においては、量子井戸構造の採用が一般的である。また、井戸層のＡｌＧａＩｎＰの格子定数を、成長基板であるＧａＡｓの格子定数から意図的にずらし、井戸層に歪を加えた歪量子井戸層とすることで更なる高輝度化が図られている。
図６（Ａ）は、一般的な歪量子井戸構造の活性層を示す概略的な断面図である。一般的な歪量子井戸構造においては、歪量子井戸層２０ａ、及び歪量子井戸層２０ａと隣接する無歪障壁層２０ｂを１周期として、これを数周期分繰り返し、活性層を構成する。
井戸層の歪量を大きくする手法が考案されている（たとえば、特許文献７参照）。特許文献７には、井戸層を挟む障壁層に、井戸層とは逆の歪を加える歪補償型の量子井戸構造に関する開示がある。
図６（Ｂ）は、歪補償型の量子井戸構造の活性層を示す概略的な断面図である。歪補償量子井戸構造においては、歪量子井戸層２０ａ、及び歪量子井戸層２０ａと隣接する歪障壁層２０ｃを１周期として、これを数周期分繰り返し、活性層を構成する。歪障壁層２０ｃには、歪量子井戸層２０ａとは逆の歪が加えられている。
歪補償型の量子井戸構造のメリットとして、井戸層の歪量を増やし、多重数を増やした場合でも、結晶欠陥の導入が回避されやすくなることや量子井戸内の歪量の分布が均一になること、更には、各量子井戸間の注入キャリア密度の分布も均一になることにより、発光効率の増大が期待できるとされている。
成長基板または成長層の一部に、人工的な加工を施すことで、活性層の屈折率分布を変化させる方法が知られている（たとえば、特許文献８参照）。人工的な結晶の加工は、それによるダメージや汚染が懸念されるため、活性層自体に加工を施す方法ではない。
このように量子井戸構造は、組成、膜厚ともに成長基板面内で均一であり、発光効率を低下させるような結晶欠陥は発生しないように工夫されることが一般的である。
本発明の目的は、光取り出し効率の高い半導体発光素子及びその製造方法を提供することである。
本発明の一観点によれば、（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｘＩｎ１−ｘＰ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で構成される半導体層であって、第１導電型の第１半導体層、障壁層及び歪を有する井戸層を備える多重量子井戸構造の活性層、第２導電型の第２半導体層、前記第２導電型の第３半導体層がこの順に形成され、全体として平坦な積層である半導体層と、前記第１半導体層に電気的に接続された第１電極と、前記第３半導体層に電気的に接続された第２電極とを有し、前記活性層の前記第２半導体層側の一部は、前記活性層の面内方向から垂直方向に傾斜しており、前記第３半導体層は、Ｇａ１−ｚＩｎｚＰ（０≦ｚ≦０．３５）で形成されている半導体発光素子が提供される。
また、本発明の他の観点によれば、（ａ）成長基板を準備する工程と、（ｂ）前記成長基板上に、（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｘＩｎ１−ｘＰ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で構成される半導体層であって、前記成長基板側から、第１導電型の第１半導体層、障壁層及び歪を有する井戸層を備える多重量子井戸構造の活性層、第２導電型の第２半導体層、前記第２導電型の第３半導体層をこの順に含む、全体として平坦な積層である半導体層を形成する工程と、（ｃ）前記第１半導体層に電気的に接続された第１電極、及び前記第３半導体層に電気的に接続された第２電極を形成する工程とを有し、前記工程（ｂ）において、前記障壁層を、０．５ｎｍ／ｓｅｃ以上の成長速度で成長させて形成し、かつ、前記第３半導体層を、Ｇａ１−ｚＩｎｚＰ（０≦ｚ≦０．３５）で形成する半導体発光素子の製造方法が提供される。
本発明によれば、光取り出し効率の高い半導体発光素子及びその製造方法を提供することができる。
図１（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例による半導体発光素子を示す概略図である。
図１（Ａ）を参照する。実施例による半導体発光素子は、導電性支持基板６、導電性支持基板６の両面側に配置されたオーミック金属層７ａ、７ｂ、オーミック金属層７ａ上に順に形成された密着層８、複合接合層９、バリア層１０、反射電極層１１を含む。反射電極層１１上の一部には絶縁層１２が形成されている。
反射電極層１１及び絶縁層１２上に、ＡｌＧａＩｎＰ系材料で構成される半導体層が配置される。半導体層は、反射電極層１１及び絶縁層１２側から順にｐ型透明導電層５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ中間層４、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ＡｌＧａＩｎＰ活性層２、及びｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１を含む、全体として平坦な積層である。ｐ型透明導電層５の反射電極層１１及び絶縁層１２側の表面には、三角錐状構造物が形成されている。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１の表面にｎ型ショットキー電極層１４及びｎ型オーミック電極層１３が形成されている。
活性層２で発光された光は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１側から取り出される。反射電極層１１はｐ電極としての機能の他に、活性層２で発光された光を反射し、光の取り出し効率を高める。
図１（Ｂ）に活性層２の詳細を示す。ＡｌＧａＩｎＰ活性層２は、歪を備える歪井戸層２ａと、歪を備えない無歪障壁層２ｂとが交互に配置された多重歪量子井戸構造を備える。また活性層２は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３側に微傾斜部を有する。微傾斜部は、歪井戸層２ａ及び無歪障壁層２ｂが、たとえば活性層２の面内方向から垂直方向に４．９°以上２０°以下だけ傾斜している部分である。本図において、微傾斜部は破線で示すＶ字領域内の部分である。Ｖ字の谷部の歪井戸層２ａで傾斜が開始している。本図には、活性層２（多重歪量子井戸構造）のうち微傾斜部が形成されている層２ａ、２ｂを「傾斜歪量子井戸部」、微傾斜部が形成されていない層２ａ、２ｂを「歪量子井戸部」と記した。後述するように、実施例による半導体発光素子は、光取り出し効率の高い半導体発光素子である。
図２は、実施例による半導体発光素子の製造方法を示すフローチャートである。まず成長基板、たとえばｎ型ＧａＡｓ基板上に半導体層１〜５を形成する（ステップＳ１０１）。有機金属気相成長法（metal organic chemical vapor deposition ;MOCVD）を用い、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１、ＡｌＧａＩｎＰ活性層２、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ中間層４、及びｐ型透明導電層５を、この順に積層した。
半導体層１〜５の形成においては、Ｖ族原料としてアルシン（ＡｓＨ３）、ホスフィン（ＰＨ３）、ＩＩＩ族原料としてはトリメチルガリウム（trimethylgallium ;TMG）、トリメチルアルミニウム（trimethylaluminum ;TMA）、トリメチルインジウム（trimethylindium ;TMI）の有機金属材料を使用した。また、ｎ型不純物としてのＳｉ原料にシラン（ＳｉＨ４）、ｐ型不純物としてのＺｎ原料にジメチルジンク（ＤＭＺｎ）を用いた。成長温度は７５０〜８５０℃とした。キャリアガスとして水素ガスを流し、成長圧力は１０ｋＰａとした。
ｐ型透明導電層５上の一部に、たとえばＳｉＯ２で絶縁層１２を形成する（ステップＳ１０２）。絶縁膜の成膜後、その一部をエッチングにより除去する。
ｐ型透明導電層５及び絶縁層１２上に、たとえば厚さ３００ｎｍの反射電極層１１を形成する（ステップＳ１０３）。反射電極層１１はｐ型透明導電層５とオーミック接触する金属、たとえばＡｕＺｎで形成される。反射電極層１１の形成は、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング等で行う。
反射電極層１１上に、たとえばＴａＮ／ＴｉＷ／ＴａＮで構成されるバリア層１０を形成する（ステップＳ１０４）。ＴａＮ／ＴｉＷ／ＴａＮの積層構造は、たとえば反応性スパッタリングにより形成することができる。ＴａＮ、ＴｉＷ、ＴａＮの各層の厚さは、たとえばすべて１００ｎｍである。
バリア層１０上に複合接合層９を形成する（ステップＳ１０５）。複合接合層９は、Ｎｉ／Ａｕの積層で形成される。バリア層１０上に形成されるＮｉ層の厚さは、たとえば３００ｎｍ、Ｎｉ層上のＡｕ層の厚さは、たとえば３０ｎｍである。Ｎｉ層は、電子ビーム蒸着やスパッタリングで形成することができる。Ａｕ層は、抵抗加熱蒸着やスパッタリングで形成可能である。
一方、オーミック金属層７ａ、７ｂが両面に堆積され、オーミック金属層７ａ上に密着層８、複合接合層９がこの順に形成された導電性支持基板６を準備する（ステップＳ１０６）。導電性支持基板６には、たとえばＢなどｐ型不純物の添加されたＳｉ基板を用いる。支持基板６は、Ｓｉのほか、Ｇｅ、Ｃｕ、サファイア、ＳｉＣまたはＳｉＯ２を主成分とするガラスで形成してもよい。
オーミック金属層７ａ、７ｂは、それぞれたとえば厚さ２５ｎｍ以上のＰｔ層であり、抵抗加熱蒸着、電子ビーム蒸着、スパッタリング等により形成する。密着層８は、たとえばＡｕとＳｎの組成比が重量比で約８：２のＡｕＳｎで形成される。厚さはたとえば６００ｎｍである。抵抗加熱蒸着やスパッタリングにより形成可能である。密着層８上の複合接合層９も、バリア層１０上のそれと同様に、Ｎｉ／Ａｕの積層で形成される。
成長基板側の積層構造と、導電性支持基板６とを接合する（ステップＳ１０７）。両者を、複合接合層９同士が対向するように配置し、窒素雰囲気、加圧下にて貼り合わせる。成長基板と導電性支持基板６とは、両者の複合接合層９を介して接合される。
成長基板であるＧａＡｓ基板を除去する（ステップＳ１０８）。たとえば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除去することができる。
成長基板の除去により露出したｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１上にｎ電極を形成し、半導体ウエハとする（ステップＳ１０９）。ｎ型オーミック電極層１３には、ＡｕＧｅＮｉ／ＴａＮ／Ｔａ／Ａｕの積層構造、ｎ型ショットキー電極層１４には、Ｔａ／ＴｉＷＮ／Ｔａ／Ａｕの積層構造を採用した。
このようにして、実施例による半導体発光素子が製造される。
以下、半導体層１〜５について詳述する。実施例に先立ち、まず比較例について説明する。
比較例による半導体発光素子の半導体層の詳細は以下の通りである。成長基板は（１００）面から［０１１］方向に１５°傾斜させたＧａＡｓ基板を使用した。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を、厚さ３μｍのｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層で形成した。ＡｌＧａＩｎＰ活性層の歪井戸層は、厚さ３ｎｍのＧａ０．４９Ｉｎ０．５１Ｐ層、無歪障壁層は厚さ７ｎｍの（Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層とした。無歪障壁層の成長速度は、０．２９ｎｍ／ｓｅｃとした。歪井戸層の総数は４３層、歪量（格子不整）は圧縮歪の４５００ｐｐｍ（＋４５００ｐｐｍ）とした。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層は、厚さ１μｍの（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ中間層は、厚さ２０ｎｍの（Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層、ｐ型透明導電層は厚さ１μｍのＧａＰ層で構成した。
図３（Ａ）及び（Ｂ）は、比較例による半導体発光素子の半導体層を示す写真である。図３（Ａ）にｐ型透明導電層表面のＡＦＭ像を示す。表面状態は平坦であり、特異な点は見られない。図３（Ｂ）は、歪量子井戸構造部の断面ＴＥＭ像を示す。歪井戸層、無歪障壁層ともに均一に形成されている。
次に、実施例による半導体発光素子の半導体層について説明する。成長基板は（１００）面から［０１１］方向に１５°傾斜させたＧａＡｓ基板を使用した。ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１を、厚さ３μｍのｎ型（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層で形成した。ＡｌＧａＩｎＰ活性層２の歪井戸層２ａは、厚さ３ｎｍのＧａ０．４９Ｉｎ０．５１Ｐ層、無歪障壁層２ｂは厚さ７ｎｍの（Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層とした。無歪障壁層２ｂの成長速度は、０．５６ｎｍ／ｓｅｃとした。歪井戸層２ａの総数は４３層（歪井戸層２ａの総膜厚１３２ｎｍ）、活性層２の形成工程において、歪井戸層２ａに与える歪量は、＋４５００ｐｐｍとした。無歪障壁層２ｂには歪の付与は行わなかった。歪量は成長中の熱膨張を考慮し、成長時に成長基板であるＧａＡｓ基板の格子定数に合わせて定めた。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３は、厚さ１μｍの（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ中間層４は、厚さ２０ｎｍの（Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層、ｐ型透明導電層５は厚さ１μｍのＧａＰ層で構成した。
図４（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例による半導体発光素子の半導体層を示す写真である。図４（Ａ）にｐ型透明導電層５表面のＡＦＭ像を示す。表面に複数の三角錐状の構造物（突起物）が形成されていることが確認できる。三角錐状の構造物は、たとえばｐ型透明導電層５表面の１０００ｎｍのライン上に４〜６個（５００ｎｍのライン上に２〜３個）の密度で発生している。なお、実施例においては、ｐ型透明導電層５表面に出現した三角錐状構造物の密度は、１μｍ×１μｍ角エリアでおよそ１．２×１０９ｃｍ−２であった。
図４（Ｂ）は、三角錐状構造物の拡大写真である。複数の三角錐状構造物を観察したところ、三角錐状構造物の幅（ｐ型透明導電層５表面における三角形面（底面）の一辺）は、２００〜４００ｎｍであった。また、高さは３０〜８０ｎｍであった。
本願発明者の研究の結果、三角錐状構造物のサイズは、ｐ型透明導電層５の膜厚で変えられることがわかった。ｐ型透明導電層５を厚く形成するほど、三角錐状構造物のサイズは大きくなる傾向がある。
図４（Ｃ）は、三角錐状構造物の下方に位置する量子井戸部分（活性層２）の断面ＴＥＭ像を示す。歪量子井戸構造中のある位置から、量子井戸構造の一部が緩やかに傾斜をもちはじめ、最終的には、部分的に傾斜を有する歪量子井戸構造が成長していることが明らかに認められる。傾斜角は約１０°である。傾斜部の両側は傾斜が開始される層より下の層と平行に成長している。
歪量子井戸構造の傾斜部は、５００ｎｍの測定視野に２〜３箇所の頻度で観察された。すべての三角錐状構造物について、断面ＴＥＭ像で観察することは技術的な困難が伴うが、三角錐状構造物の数と歪量子井戸構造の傾斜部の数とは上述の通り一致している。このことから三角錐状構造物は、量子井戸構造の傾斜部を起源に発生していると推測することが可能である。したがって、ｐ型透明導電層５表面における三角錐状構造物の密度を調べることで、量子井戸の傾斜部の密度を間接的に把握することができる。
量子井戸構造内の複数の隣接する傾斜部をたどると、たとえば図１（Ｂ）に示したように、傾斜開始位置はほぼ同じ層であった。また、傾斜部が存在しない量子井戸構造（図１（Ｂ）における歪量子井戸部）と、傾斜部を含む量子井戸構造（図１（Ｂ）における傾斜歪量子井戸部）の比率は、活性層２の厚さ方向に、概ね５：５〜７：３であった。すなわち傾斜部を含む量子井戸構造の厚さは、活性層２全体の厚さの３０％以上５０％以下を占有していた。傾斜部を含まない量子井戸構造がある程度下地として必要であり、傾斜部の領域もある程度のボリュームがないと、三角錐状構造物が発生しにくいものと考えられる。
実施例による半導体発光素子の光出力と、比較例による半導体発光素子の光出力とを調べたところ、前者は後者より１５％大きいことが確認された。実施例による半導体発光素子においては、反射面（反射電極層１１）側の半導体層５上の三角錐状構造物が、活性層２で発光され反射面側に向かった光のうち、三角錐状構造物がなければ、反射面で反射された後、臨界角より大きな入射角で光取り出し面に入射するはずだった光を効果的に取り出したためと考えられる。
本願発明者は、実施例による半導体発光素子において、歪井戸層２ａの総数を１５層（歪井戸層２ａの総膜厚４５ｎｍ）、３０層（歪井戸層２ａの総膜厚９０ｎｍ）、５０層（歪井戸層２ａの総膜厚１５０ｎｍ）とした半導体発光素子を作製した。これらの半導体発光素子においても、ｐ型透明導電層５表面に三角錐状構造物の発生が認められ、高い光出力が確認された。
また、本願発明者は、実施例による半導体発光素子において、歪井戸層２ａの歪量を＋７０００ｐｐｍ、＋６０００ｐｐｍ、＋３０００ｐｐｍとした半導体発光素子を作製した。これらの半導体発光素子についても、ｐ型透明導電層５表面に三角錐状構造物の発生が認められ、高い光出力が確認された。
一方、歪量子井戸構造の臨界膜厚を超える場合、量子井戸構造に結晶欠陥が導入されてしまい、そもそも発光素子としての機能を有さなくなる。また、本願発明者が実施例による半導体発光素子において、歪井戸層２ａの総数を１０層とした実験を行ったところ、三角錐状構造物の発生は認められなかった。これは、歪井戸層２ａ（一層の厚さ３ｎｍ）の総膜厚が３０ｎｍと比較的薄く、三角錐状構造物が形成されるために必要な歪量が不足したためと考えられる。三角錐状構造物の起源と考えられる構造（歪量子井戸構造の一部が途中から緩やかに傾斜角度をもつような構造）を得るためには、少なくとも、歪井戸層２ａの歪量において臨界膜厚を超えない範囲であり、歪井戸層２ａに与える歪量が成長ウエハ全体に蓄積されることが重要である。
歪井戸層２ａの総膜厚が４０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であり、歪井戸層２ａに与えられる歪量が３０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下の圧縮歪であれば、活性層２の微傾斜部とｐ型透明導電層５表面の三角錐状構造物とを有する、高出力の半導体発光素子を得ることが可能であろう。
本願発明者は、実施例による半導体発光素子の半導体層に関し実験を続けた。まず、実施例と等しい半導体層構造を、成長基板として（１００）面から［０１１］方向に４°、１０°、１５°傾斜させたＧａＡｓ基板を用い、無歪障壁層２ｂの成長速度を約０．２６〜０．８ｎｍ／ｓｅｃの範囲で変化させて作製し、ｐ型透明導電層５表面に形成される三角錐状構造物の密度を調べた。これら基板は（１００）主面から［０１１］方向へ傾斜を有しているため、それぞれの基板の表面には原子層レベルのステップ（原子層ステップ）が存在する。傾斜角度が大きいほど、原子層ステップが多く存在する（ステップ密度が高い）。
図５は、無歪障壁層２ｂの成長速度と三角錐状構造物の密度との関係を示すグラフである。グラフの横軸は、無歪障壁層２ｂの成長速度を単位「ｎｍ／ｓｅｃ」で表し、縦軸は、三角錐状構造物の密度を単位「ｃｍ−２」で表す。黒菱形をつないだ曲線は、傾斜角度が４°のときの両者の関係を示す。黒三角をつないだ曲線、黒丸をつないだ曲線は、それぞれ傾斜角度が１０°、１５°のときのそれを示す。
まず、三角錐状構造物の密度は、成長基板であるＧａＡｓ基板の傾斜角度に依存しており、傾斜角度が大きい方が三角錐状構造物の出現が多くなることがわかる。傾斜角度が大きくなるほど結晶表面に存在するステップ密度は高くなり、三角錐状構造物は、それを起点にして発生すると考えられるための結果であろう。所定の面方位から他の面方位方向に傾斜した表面を有する成長基板上では、原子層ステップのステップ端において複数の面方位の結晶面が露出する確率が高くなる。そのため、ステップ端に露出した成長速度の速い面方位の結晶面での成長が促進されることが影響したものと考えられる。
また、三角錐状構造物の密度は、歪量子井戸構造の無歪障壁層２ｂの成長速度に依存することもわかる。無歪障壁層２ｂを、０．５ｎｍ／ｓｅｃ以上の成長速度で成長させることで、ｐ型透明導電層５表面に形成される三角錐状構造物の密度を高くすることができる。
歪量子井戸層に内在する井戸層の歪量により、歪量と井戸層の総膜厚が結晶欠陥の入らない一定量に達すると、量子井戸層の最表面に局所的に結晶の歪が集中する部分が発生する、歪量が局在化した部分に、一定速度以上で材料ガスが到達すると、成長速度の違いをもった結晶面の成長が促進される、この歪量子井戸構造内部で発生した局所的な異方成長が起源となって、歪量子井戸構造の一部に緩やかに結晶面の傾きを有する発光素子が作製されると考えられる。量子井戸構造部で発生した結晶面の傾きは緩やかなものであるが、傾斜部の成長速度が異なるため、量子井戸構造部に続き成長を重ねることによって、三次元成長が促されるのであろう。更に、半導体層の最表面には、格子不整合が約３．４％と格子定数が大きく異なるＧａＰからなる透明導電層５が位置しており、最終的には大きな傾斜を有する三角錐状構造物が出現するものと考えられる。実施例においては、ｐ型透明導電層５をＧａＰ層としたが、格子不整合が１％以上のＧａ１−ＸＩｎＸＰ（０≦Ｘ≦０．３５）であれば、同様の効果を奏することができる。なお、障壁層は、歪井戸層の歪量を補償しないことが望ましく、無歪（本願発明においては±１０００ｐｐｍ未満）の障壁層とすることが望ましい。
次に本願発明者は、無歪障壁層２ｂの成長速度を約０．５６ｎｍ／ｓｅｃとし、成長基板として（１００）面から［０１１］方向に４°、７°、１０°、１５°、２５°傾斜させたＧａＡｓ基板を用いて、実施例と等しい半導体層構造をもつ半導体発光素子（考察例）を作製した。そして、無歪障壁層を成長速度０．２９ｎｍ／ｓｅｃで成長させた比較例（ＧａＡｓ成長基板の傾斜角度は（１００）面から［０１１］方向に４°、７°、１０°、１５°、２５°とした。）と光出力を比べた。
傾斜角度を４°とした考察例と、傾斜角度を４°とした比較例とを比べたところ、両者の光出力にほとんど差は認められなかった。
傾斜角度を７°とした考察例と、傾斜角度を７°とした比較例とを比べたところ、前者の光出力は後者のそれより数％大きかった。
傾斜角度を１０°とした考察例と、傾斜角度を１０°とした比較例とを比べたところ、前者の光出力は後者のそれより１０％程度大きかった。
傾斜角度を１５°とした考察例（実施例）と、傾斜角度を１５°とした比較例とを比べたところ、前者の光出力は後者のそれより１５％大きかった。
傾斜角度を２５°とした考察例と、傾斜角度を２５°とした比較例とを比べたところ、前者の光出力は後者のそれより１５％大きかった。
成長基板の傾斜角度が小さいと、光出力向上の効果も小さいことがわかる。これは傾斜角度が小さい場合、三角錐状構造物の密度が低いためであろう。たとえば基板の傾斜角度が４°の場合でも、考察例による半導体発光素子には三角錐状構造物の発生が確認された。しかしその密度は、１０００ｃｍ−２程度であった。このため光取り出し効果が十分ではなく、比較例と同程度の光出力しか得られなかったものと考えられる。
量子井戸内部に存在する微傾斜部の傾斜角度は、成長基板の傾斜角度と相関があり、たとえば図４（Ｃ）を参照して説明したように、成長基板の傾斜角度が１５°の場合、量子井戸内部の微傾斜部の傾きは約１０°である。このように量子井戸内部の微傾斜部の傾きは、成長基板の傾斜角度よりやや小さい。傾斜角度の小さい成長基板、たとえば傾斜角度が４°の成長基板を用いた場合、量子井戸内部の微傾斜部も十分な傾き角を得られず、結局のところ、三角錐状構造物は発生しにくいものと考えられる。なお、成長基板の傾斜角度が４°のとき、量子井戸内部の微傾斜部の傾き角は２°であった。
考察例と比較例とを対比すると、傾斜角度を少なくとも７°以上とすることで、光出力向上の効果が得られるといえる。成長基板の傾斜角度が７°のとき、量子井戸内部の微傾斜部の傾き角は４．９°であった。
１０％程度以上の光出力向上の効果を得るためには、成長基板の傾斜角度を１０°以上とすればよい。このとき三角錐状構造物の密度は、概ね１００００ｃｍ−２以上である。成長基板の傾斜角度が１０°のとき、量子井戸内部の微傾斜部の傾き角は７°であった。
また、成長基板の傾斜角度を１５°とした場合と、２５°とした場合とでは、光出力向上の効果に大きな差は認められない。三角錐状構造物の数が飽和状態に近づくためと考えられる。量子井戸内部の微傾斜部の傾き角が２５°を超えると、光出力向上の効果の更なる上昇は望みづらいであろう。なお、成長基板の傾斜角度が２５°のとき、量子井戸内部の微傾斜部の傾き角は１７．５°であった。
これらより、量子井戸内部の微傾斜部の傾き角は４．９°以上２０°以下であることが好ましく、７°以上１７．５°以下であることが一層好ましい。成長基板の傾斜角度は、７°以上２５°以下であることが望ましい。
以上、実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。
たとえば、実施例におけるクラッド層や中間層などの構成、組成、膜厚等は変更可能である。一例として、実施例においては、クラッド層を（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層としたが、Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ層とすることもできる。
また、実施例においては、歪井戸層２ａをＧａ０．４９Ｉｎ０．５１Ｐ層としたが、Ａｌを含む歪井戸層としてもよい。
更に、実施例においては、無歪障壁層２ｂを（Ａｌ０．５６Ｇａ０．４４）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層としたが、Ａｌ組成を変更することができる。
半導体層１〜５は一般に、（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｘＩｎ１−ｘＰ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で構成することが可能である。
また、金属層を介して貼り合わせるＭＢタイプの半導体発光素子を実施例としたが、ＧａＡｓ基板を除去しない半導体発光素子でもよい。その場合、三角錐状の表面構造物を利用し、表面からの光取り出し効率を向上させることができる。
更に、半導体層は、少なくとも成長基板側から順に、第１導電型（ｎ型）の第１半導体層（実施例においては、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１）、発光が行われる活性層（実施例においては、ＡｌＧａＩｎＰ活性層２）、第２導電型（ｐ型）の第２半導体層（実施例においては、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層３）、第２導電型の第３半導体層（実施例においては、ｐ型透明導電層５）を含めばよい。半導体発光素子は、第１半導体層に電気的に接続される第１電極と、第３半導体層に電気的に接続される第２電極とを含む。
その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者には自明であろう。
一例として、金属層を介して貼り合わせるＡｌＧａＩｎＰ系のＭＢタイプ半導体発光素子に好適に利用できる。
１ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
２ ＡｌＧａＩｎＰ活性層
２ａ 歪井戸層
２ｂ 無歪障壁層
３ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
４ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ中間層
５ ｐ型透明導電層
６ 導電性支持基板
７ａ、７ｂ オーミック金属層
８ 密着層
９ 複合接合層
１０ バリア層
１１ 反射電極層
１２ 絶縁層
１３ ｎ型オーミック電極層
１４ ｎ型ショットキー電極層
２０ａ 歪量子井戸層
２０ｂ 無歪障壁層
２０ｃ 歪障壁層
２ ＡｌＧａＩｎＰ活性層
２ａ 歪井戸層
２ｂ 無歪障壁層
３ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
４ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ中間層
５ ｐ型透明導電層
６ 導電性支持基板
７ａ、７ｂ オーミック金属層
８ 密着層
９ 複合接合層
１０ バリア層
１１ 反射電極層
１２ 絶縁層
１３ ｎ型オーミック電極層
１４ ｎ型ショットキー電極層
２０ａ 歪量子井戸層
２０ｂ 無歪障壁層
２０ｃ 歪障壁層
Claims (12)
- （ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｘＩｎ１−ｘＰ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で構成される半導体層であって、第１導電型の第１半導体層、障壁層及び歪を有する井戸層を備える多重量子井戸構造の活性層、第２導電型の第２半導体層、前記第２導電型の第３半導体層がこの順に形成され、全体として平坦な積層である半導体層と、
前記第１半導体層に電気的に接続された第１電極と、
前記第３半導体層に電気的に接続された第２電極と
を有し、
前記活性層の前記第２半導体層側の一部は、前記活性層の面内方向から垂直方向に傾斜しており、
前記第３半導体層は、Ｇａ１−ｚＩｎｚＰ（０≦ｚ≦０．３５）で形成されている半導体発光素子。 - 前記活性層の前記第２半導体層側の一部は、前記活性層の面内方向から垂直方向に４．９°以上２０°以下傾斜している請求項１に記載の半導体発光素子。
- 前記活性層の前記第２半導体層側の一部は、前記活性層の面内方向から垂直方向に７°以上１７．５°以下傾斜している請求項２に記載の半導体発光素子。
- 前記障壁層は歪をもたず、前記井戸層の総層厚が４０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であって、前記井戸層の歪が３０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下の圧縮歪である請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
- 前記活性層の面内方向から垂直方向に傾斜している部分の厚さが、前記活性層の厚さの３０％以上５０％以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
- 前記第２電極は、前記第３半導体層上に形成された反射電極であり、前記第３半導体層と反対側の面において、導電性の支持基板と貼り合わされている請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体発光素子。
- （ａ）成長基板を準備する工程と、
（ｂ）前記成長基板上に、（ＡｌｙＧａ１−ｙ）ｘＩｎ１−ｘＰ（０＜ｘ≦１、０≦ｙ≦１）で構成される半導体層であって、前記成長基板側から、第１導電型の第１半導体層、障壁層及び歪を有する井戸層を備える多重量子井戸構造の活性層、第２導電型の第２半導体層、前記第２導電型の第３半導体層をこの順に含む、全体として平坦な積層である半導体層を形成する工程と、
（ｃ）前記第１半導体層に電気的に接続された第１電極、及び前記第３半導体層に電気的に接続された第２電極を形成する工程と
を有し、
前記工程（ｂ）において、
前記障壁層を、０．５ｎｍ／ｓｅｃ以上の成長速度で成長させて形成し、
かつ、
前記第３半導体層を、Ｇａ１−ｚＩｎｚＰ（０≦ｚ≦０．３５）で形成する半導体発光素子の製造方法。 - 前記工程（ａ）において、前記成長基板は、所定の面方位から他の面方位の方向に傾斜した成長面を有し、前記成長面は原子層ステップを有する請求項７に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記工程（ａ）において、ＧａＡｓ（１００）面から［０１１］方向へ７°以上２５°以下の傾斜角度を備える成長基板を準備する請求項７または８に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記工程（ｂ）において、前記井戸層の総層厚を４０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下に形成する請求項７〜９のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記工程（ｂ）において、前記井戸層を、３０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下の圧縮歪を与えて形成する請求項７〜１０のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記工程（ｂ）において、前記障壁層を、歪を与えずに形成する請求項７〜１１のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
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