JP4024463B2 - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば発光ダイオードや半導体レーザ等の半導体発光素子の製造方法に関し、特に、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料からなる発光部を形成した半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いた半導体素子は、ＧａＡｓ基板と格子整合が可能であること、およびIII-V族化合物半導体の中で最も直接遷移バンドギャップが大きいことから、可視領域の発光素子として、発光ダイオードや半導体レーザ等が知られている。
【０００３】
ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ系半導体層をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法やＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法によりエピタキシャル成長する場合、良好な結晶性を得るためには、酸素等の不純物が混入しないこと、および良好な２次元成長が得られることが必要である。
【０００４】
このため、例えば図９に示すような従来のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザの場合、特開平６−５７１４９号公報には、ＧａＡｓ基板８１において（１００）面から［０１１］方向に傾斜した面上にＡｌＧａＩｎＰ層を成長する方法が提案されている。
【０００５】
この方法では、まず、（１００）面から［０１１］方向に傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板８１上に、ＭＯＣＶＤ法によりｎ−ＧａＩｎＰまたはｎ−ＡｌＧａＩｎＰバッファ層８２、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８３、ＧａＩｎＰ活性層８４、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８５およびｐ−ＧａＡｓキャップ層８６を成長する。次に、Ｐ−ＧａＡｓキャップ層８６上にＳｉＯ2膜を形成した後、中央部をストライプ状にエッチングする。その上に電極８１１を形成し、基板側には電極８１０を形成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の半導体レーザの製造方法においては、ＧａＡｓ基板の（１００）面から［０１１］方向に傾斜した面上に、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰバッファ層を成長した後、ＡｌＧａＩｎＰ系発光部をＭＯＣＶＤ法により成長している。
【０００７】
しかしながら、この方法では、第１にＧａＡｓ基板上に直接ＧａＩｎＰバッファ層またはＡｌＧａＩｎＰバッファ層を成長していること、および第２にバッファ層が１つの組成で構成されていることからＧａＡｓ基板を（１００）面から［０１１］方向に傾斜したことによる効果が十分に現れていない。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、（１００）面から［０１１］方向に傾斜したＧａＡｓ基板上に良好な結晶性を有するＡｌＧａＩｎＰ系半導体層を成長させて、発光効率を大幅に改善することができる半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、（１００）面から［０１１］方向に２度以上傾斜した面を主面とするＧａＡｓ基板の該主面上に、気相成長法によって成長されたＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）の単一組成層からなる第１バッファ層と、該第１バッファ層上に前記気相成長法によって積層された（ＡｌyＧａ1-y）zＩｎ1-zＰ（０．３≦ｙ≦０．８、ｚ＝０．５）の単一組成層からなる第２バッファ層と、該第２バッファ層上に前記気相成長法によって積層された（ＡｌsＧａ1-s）tＩｎ1-tＰ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）からなる第１クラッド層と、第１クラッド層上に前記気相成長法によって積層された（ＡｌａＧａ1- ａ）ｂＩｎ1- ｂＰ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなる活性層と、該活性層上に前記気相成長法によって積層された（ＡｌｃＧａ1- ｃ）ｄＩｎ1- ｄＰ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）からなる第２クラッド層とを少なくとも備え、該第２バッファ層のＡｌ組成比ｙよりも該第１クラッド層のＡｌ組成比ｓの方が大きい半導体発光素子の製造方法であって、前記第２バッファ層を、前記第１バッファ層の成長温度から前記第１クラッド層の成長温度まで昇温させながらの成長によって形成することを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【００１５】
前記第２クラッド層上に電流拡散層を形成する工程をさらに含んでいてもよい。
【００１６】
前記第２クラッド層と前記電流拡散層との間に電流阻止層を形成する工程をさらに含んでいてもよい。
【００１９】
前記第１クラッド層よりも基板側に光反射層を備えていてもよい。
【００２１】
以下、本発明の作用について説明する。
【００２２】
本発明にあっては、ＧａＡｓ基板を（１００）面から［０１１］方向に傾斜させることにより、その上に成長するＡｌＧａＩｎＰ系半導体層に酸素が混入されにくくなり、良好な結晶性が得られる。この効果を十分に得るためには、２度以上傾斜させるのが好ましい。また、この（１００）面から［０１１］方向に傾斜した面上に、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）からなる第１バッファ層を形成することにより、基板から発光部への不純物拡散が抑制され、基板表面の凹凸の平坦性も改善される。また、当然のことながら、傾斜した面方位は保存される。ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓからなる第１バッファ層は、従来のＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰバッファ層と異なり、基板と同じ組成であるため、接合部に凹凸が発生したりせず、傾斜した面方位を維持しながら、基板より欠陥の少ない良好な結晶性を有するバッファ層を成長することが可能である。さらに、ＡｌＧａＡｓ（またはＧａＡｓ）第１バッファ層の上にＡｌＧａＩｎＰ（またはＧａＩｎＰ）第２バッファ層を介してＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層を有しているので、発光部、特に活性層の結晶性が大幅に向上して発光効率が改善される。なお、ＡｌＧａＡｓ（またはＧａＡｓ）第１バッファ層の上にＡｌＧａＩｎＰ（またはＧａＩｎＰ）からなる２層以上のバッファ層を設けてもよい。
【００２３】
上記第２バッファ層のＡｌ組成ｙよりも上記第１クラッド層のＡｌ組成ｓの方を大きくすることにより、発光部、特に活性層の結晶性が大幅に向上し、発光効率が改善された半導体発光素子を得ることが可能である。例えば、ＧａＡｓ（またはＡｌＧａＡｓ）バッファ層上にＡｌ組成が大きいクラッド層を直接成長すると良好な結晶が得られないが、Ａｌ組成が小さい第２バッファ層を成長してその上にＡｌ組成が大きい第１クラッド層を成長することにより、結晶性が改善される。なお、第２バッファ層や第１クラッド層の組成を徐々に変化させることも可能である。変化の仕方は、段階的であっても連続的であってもよい。
【００２４】
さらに、上記第２バッファ層のＡｌ組成ｙを０．３以上０．８以下にすることにより、発光部、特に活性層の結晶性が向上し、発光効率が改善された半導体発光素子を得ることが可能である。
【００２５】
また、上記第２バッファ層と第１クラッド層の成長温度を異ならせてもよい。例えば、Ａｌ組成が大きいＡｌＧａＩｎＰ層では最適成長温度が高いので、Ａｌ組成が大きいクラッド層（第１クラッド層）では成長温度を高くし、Ａｌ組成が小さいバッファ層（第２バッファ層）では成長温度を低くすることにより、結晶性がさらに改善される。
【００２６】
さらに、第２バッファ層の成長温度を徐々に（段階的または連続的に）変化させてもよい。例えば、ＧａＡｓ（またはＡｌＧａＡｓ）第１バッファ層の最適成長温度からＡｌＧａＩｎＰ（またはＧａＩｎＰ）第２バッファ層の最適成長温度まで昇温しながら成長させることにより、結晶性がさらに改善される。同様に、第１クラッド層の成長温度を徐々に変化させてもよい。
【００２７】
上記第２クラッド層上に電流拡散層を設けることにより、電流を広げて活性層全体で発光させることができるので、発光効率が大幅に向上する。
【００２８】
さらに、上記第２クラッド層と電流拡散層との間に電流阻止層を設けることにより、さらに効率的に電流を広げて活性層全体で発光させることができるので、発光効率が大幅に改善される。
【００２９】
上記電流阻止層を素子中央部に設けることにより、電流を素子周辺部に広げると共に、効率良く光を取り出すことができる。または、上記電流阻止層を素子中央よりも周辺側に設けらることにより、電流を素子中央部に集中させて電流密度を増加させると共に、効率良く光を取り出すことができる。
【００３０】
さらに、上記第１クラッド層よりも基板側に光反射層を設けることにより、従来では基板に吸収されていた光を光反射層で反射して外部に取り出すことができるので、光の利用効率が大幅に改善される。
【００３１】
第２クラッド層上に電流阻止層およびキャップ層を設けることにより、本発明を半導体レーザに適用可能となる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では半導体層の成長方法としてＭＯＣＶＤ法を用いたが、これに限られず、ＭＢＥ法等、気相成長方法であればどのような成長法を用いてもよい。また、各半導体層の組成は、適宜変更しても本発明の効果は充分に得られる。さらに、構造が異なっても、全ての半導体発光素子、例えば半導体レーザや発光ダイオード等に適用可能である。
【００３３】
（実施形態１）
この実施形態１では、本発明の半導体発光素子の一実施形態として、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードについて説明する。
【００３４】
図１（Ｄ）は、本実施形態の発光ダイオードの概略構成を示す断面図である。この発光ダイオードは、（１００）面から［０１１］方向に傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）第１バッファ層２、ｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層３、ｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）第１クラッド層４、（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）活性層５、ｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）第２クラッド層６およびｐ−（Ｉｎ ｆ Ａｌ １−ｆ ） ｇ Ｇａ １−ｇ Ｐ（０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１）電流拡散層７が積層形成されている。その中央部に電極１１が設けられ、基板側には電極１０が設けられている。
【００３５】
この発光ダイオードは、例えば以下のようにして作製することができる。
【００３６】
まず、図１（Ａ）に示す面方位が（１００）面から［０１１］方向に１５度傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＣＶＤ法により図１（Ｂ）に示すように、厚み０．５μｍのｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１、例えばｘ＝０、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１バッファ層２を成長温度６００℃〜７００℃で成長し、次に、成長温度を６００℃〜７００℃から７００℃〜８５０℃まで昇温しながら、厚み０．０５μｍのｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、例えばｙ＝０．６、ｚ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２バッファ層３を成長する。
【００３７】
続いて、図１（Ｃ）に示すように、成長温度７００℃〜８５０℃にて、厚み１．０μｍのｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、例えばｓ＝１．０、ｔ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１クラッド層４、厚み０．５μｍの（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、例えばａ＝０．４、ｂ＝０．５）活性層５、厚み１．０μｍのｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、例えばｃ＝１．０、ｄ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２クラッド層６および厚み５μｍのｐ−（Ｉｎ ｆ Ａｌ １−ｆ ） ｇ Ｇａ １−ｇ Ｐ（０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１、例えばｆ＝０．０１、ｇ＝０．０１、Ｚｎ濃度５×１０18ｃｍ-3）電流拡散層７を順次積層成長する。
【００３８】
その後、図１（Ｄ）に示すように、電極１０および電極１１を形成して発光ダイオードが完成する。
【００３９】
このように、本実施形態では、ｎ−ＧａＡｓ基板１の面方位を（１００）面から［０１１］方向に１５度傾斜させ、バッファ層をｎ−ＡｌＧａＡｓ（またはＧａＡｓ）第１バッファ層２とＡｌＧａＩｎＰ（またはＧａＩｎＰ）第２バッファ層の２層構造とし、さらに、第２バッファ層３のＡｌ組成ｙ＝０．６よりも第１クラッド層４のＡｌ組成ｓ＝１．０の方を大きくしている。これにより、発光部、特に活性層５の結晶性が大幅に向上し、発光効率が大幅に改善された。以下、各々の効果について説明する。
【００４０】
第１に、ｎ−ＧａＡｓ基板１の面方位を（１００）面から［０１１］方向に傾斜させたことによる効果は、以下の通りである。
【００４１】
図２（Ａ）は、（１００）面ジャストのIII-V族結晶表面のモデル図であり、図２（Ｂ）は（１００）面から［０１１］方向に傾斜させたIII-V族結晶表面のモデル図である。この場合、III族元素はＧａ、Ａｌ、Ｉｎ原子等であり、V族元素はＡｓ、Ｐ原子である。この図２（Ａ）に示すように、面方位が（１００）面である表面は、２重結合を有するV族原子で覆われている。これに対して、図２（Ｂ）に示すように、［０１１］方向に傾斜させた表面は、III族原子の１重結合を有する結晶表面である（１１１）面がステップ毎に形成される。図２（Ｂ）では、（１１１）面部の基板が（１００）面から傾斜しているため、数１０μｍ毎に（１１１）面のステップが形成される。この面では、III族原子の１重結合が表面を覆っているため、V族原子（この場合はＰ原子）が供給されてIII族原子と結合する。しかし、１重結合のために結合が弱く、すぐに結合が切れてV族原子が表面上を拡散（マイグレーション）している状態になる。
【００４２】
ここで、（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）活性層５において、発光効率を低減する原因の１つとしてＯ（酸素）の混入が挙げられる。これは、Ｏ（酸素）がＡｌＧａＩｎＰ結晶中に混入すると非発光準位を形成するため、キャリアを注入した際に非発光再結合が生じるためである。このＯ（酸素）は、VI族元素であるためにV族サイトの格子位置に入り易い。しかし、（１００）面から［０１１］方向に傾斜させた表面では、上述のようにV族原子が表面を拡散（マイグレーション）しているため、結晶表面上にV族原子が多く存在し、V族サイトの格子位置にＯ（酸素）が入り難くなる。従って、ｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層３、ｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）第１クラッド層４、（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）活性層５、ｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）第２クラッド層６へのＯ（酸素）の混入が減少し、発光効率が大幅に改善される。また、（１１１）面がステップ毎に形成されているため、このステップ毎に良好な結晶性が得られる層状成長が起こり易い。これによって、結晶表面の凹凸の深さが大幅に低減し、平坦性も向上すると共に、結晶性が改善される。
【００４３】
図１０に（１００）面から［０１１］方向に０度から２０度まで傾斜したｎ−ＧａＡｓ基板上に（Ａｌ ｊ Ｇａ １−ｊ ） ｋ Ｉｎ １−ｋ Ｐ（ｊ＝１．０、ｋ＝０．５）を成長した場合について、表面の凹凸の深さを測定した結果を示す。この図から分かるように、（１００）面上、すなわち［０１１］方向に傾斜しない（０度）の場合には結晶表面の凹凸の深さが１０００オングストローム以上発生するのに対して、２度以上傾斜した場合には凹凸の深さが大幅に減少している。好ましくは５度〜２０度の範囲であり、それ以上では基板の製造コストが高くなるおそれがある。特に、１５度以上傾斜させることにより、凹凸の深さが１００オングストローム以下にまで減少して、良好な結晶性が得られる。
【００４４】
第２に、バッファ層をｎ−ＡｌＧａＡｓ（またはＧａＡｓ）第１バッファ層２とＡｌＧａＩｎＰ（またはＧａＩｎＰ）第２バッファ層の２層構造とした効果は以下の通りである。
【００４５】
ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＧａＡｓ第１バッファ層２を設けることにより、基板から発光部への不純物の拡散を抑制すると共に、基板表面の凹凸の平坦性が改善される。また、当然のことながら、傾斜した面方位も保存される。これらのことは、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）第１バッファ層を設けた場合についても同様である。なお、Ａｌ組成ｘは０≦ｘ≦０．２であるのが好ましい。これに対して、従来のようにＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰバッファ層を設けた場合には、基板と組成が異なるために接合部に凹凸が発生したり、バッファ層中に欠陥が発生したりした。
【００４６】
第３に、第２バッファ層３のＡｌ組成ｙよりも第１クラッド層４のＡｌ組成ｓの方を大きくし、各々の層の成長温度を変えたことによる効果は以下の通りである。
【００４７】
ＧａＡｓ第１バッファ層上に、Ａｌ組成の大きいＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層を直接成長すると、組成が大きく異なるために成長界面が急峻ではなく、良好な結晶性が得られなかった。そこで、本実施形態では、ＧａＡｓ第１バッファ層２の上に、ｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）第１クラッド層４よりもＡｌ組成の小さいｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層３を成長することにより、良好な成長界面が得られ、また、良好な結晶性を有する第１クラッド層４を得ることができる。ＡｌＧａＩｎＰバッファ層は、ＩｎＧａＰよりもＡｌ組成を大きくすることにより、上クラッド層との界面が同じ材料系であるために良好となり、クラッド層よりもＡｌ組成を小さくすることにより、結晶性が向上する。特に、第２バッファ層のＡｌ組成ｙが０．３以上０．８以下であるのが最も好ましい。
【００４８】
さらに、ＧａＡｓ第１バッファ層２の最適成長温度は６５０℃〜７２０℃であるのに対して、ＡｌＧａＩｎＰ層の成長温度は７００℃以上であるのが好ましく、特に、ＡｌＩｎＰ層等のＡｌ組成の大きい層ではさらに高温で成長することが望ましい。そこで、本実施形態では、ＧａＡｓ第１バッファ層２と（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）第１クラッド層４との間に形成される（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層３の成長を、ＧａＡｓ第１バッファ層２の成長温度からＡｌ組成の大きい（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）第１クラッド層４の成長温度まで昇温しながら成長することにより、大幅に結晶性を改善することができる。これらのことは、ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）第１バッファ層を設けた場合についても同様である。
【００４９】
なお、本実施形態では、（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層３を昇温しながら成長したが、ｎ−ＧａＡｓ第１バッファ層２と同じ成長温度、（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）第１クラッド層４の成長温度と同じ成長温度、またはその間の成長温度で成長しても、上記３つの理由によって同様な効果が得られた。
【００５０】
（実施形態２）
この実施形態２では、本発明の半導体発光素子の一実施形態として、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザについて説明する。
【００５１】
図３は、本実施形態の半導体レーザの概略構成を示す断面図である。この半導体レーザは、（１００）面から［０１１］方向に１０度傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板２１上に、厚み０．５μｍのｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１、例えばｘ＝０、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１バッファ層２２、厚み０．５μｍのｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、例えばｙ＝０．５、ｚ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２バッファ層２８、厚み１．０μｍのｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、例えばｓ＝０．７、ｔ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１クラッド層２３、厚み１０ｎｍの（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、例えばａ＝０、ｂ＝０．５）からなる量子井戸層を５層と（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、例えばａ＝０．５、ｂ＝０．５）からなる障壁層を６層とを交互に積層した量子井戸活性層２４、厚み１．０μｍのｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、例えばｃ＝０．７、ｄ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２クラッド層２５および厚み１μｍのｐ−ＧａＡｓ（Ｚｎ濃度１×１０18ｃｍ-3）キャップ層２６が積層形成されている。キャップ層２６上には、ＳｉＯ2等からなる絶縁膜２７が設けられ、その中央部がストライプ状にエッチングされて電流通路となっている。その上に電極２１１が設けられ、基板側には電極２１０が設けられている。
【００５２】
本実施形態の半導体レーザにおいても、実施形態１と同様に、バッファ層をｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）第１バッファ層２２およびｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層２８の２層構造としたこと、および基板側のクラッド層（第１クラッド層２３）の組成を第２バッファ層２８のＡｌ組成よりも大きくしたことにより、ｎ−ＧａＡｓ基板２１の面方位を（１００）面から［０１１］方向に傾斜させたことの効果が大幅に向上する。その結果、発光部、特に活性層２４の結晶性が大幅に向上し、発光効率が大幅に改善された。
【００５３】
また、図４に示すように、電流阻止層２９およびキャップ層２６を設けた半導体レーザにおいては、電流を活性層の中央部に集中できるため、駆動電流を低減することができる。
【００５４】
（実施形態３）
この実施形態３では、本発明の半導体発光素子の一実施形態として、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードについて説明する。なお、本実施形態３において、実施形態１と異なる点は、基板の傾斜角度を５度にしたこと、第２バッファ層と第１クラッド層の成長温度を同じにしたこと、および光反射層を設けたことであり、その他は実施形態１と同様である。
【００５５】
図５は、本実施形態の発光ダイオードの概略構成を示す断面図である。この発光ダイオードは、（１００）面から［０１１］方向に５度傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板３１上に、ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）第１バッファ層３８、ｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層３２、ｎ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ光反射層３９、ｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）第１クラッド層３３、（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）活性層３４、ｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）第２クラッド層３５および（Ｉｎ ｆ Ａｌ １−ｆ ） ｇ Ｇａ １−ｇ Ｐ（０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１）電流拡散層３６が積層形成されている。電流拡散層３６上には電極３１１が設けられ、基板側には電極３１０が設けられている。
【００５６】
この発光ダイオードは、例えば以下のようにして作製することができる。
【００５７】
まず、面方位が（１００）面から［０１１］方向に５度傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板３１上に、ＭＯＣＶＤ法により成長温度６００℃〜７００℃で厚み０．５μｍのｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１、例えばｘ＝０、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１バッファ層３８を成長する。
【００５８】
次に、成長温度７００℃〜８５０℃で厚み０．０５μｍのｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、例えばｙ＝０．６、ｚ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２バッファ層３２、ｎ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ光反射層（例えば厚さ１００オングストロームの２層構造を１０層）３９、厚み１．０μｍのｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、例えばｓ＝１．０、ｔ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１クラッド層３３、厚み０．５μｍの（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、例えばａ＝０．４、ｂ＝０．５）からなる活性層３４、厚み１．０μｍのｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、例えばｃ＝１．０、ｄ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２クラッド層３５および厚み５μｍの（Ｉｎ ｆ Ａｌ １−ｆ ） ｇ Ｇａ 1- ｇ Ｐ（０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１、例えばｆ＝０．０１、ｇ＝０．０１、Ｚｎ濃度５×１０18ｃｍ-3）電流拡散層３６を順次積層成長する。その後、電極３１１および電極３１０を形成して発光ダイオードが完成する。
【００５９】
このようにして得られる本実施形態の発光ダイオードにおいても、実施形態１と同様に、バッファ層をｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）第１バッファ層３８およびｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層３２の２層構造としたこと、および基板側のクラッド層（第１クラッド層３３）の組成を第２バッファ層３２のＡｌ組成よりも大きくしたことにより、ｎ−ＧａＡｓ基板３１の面方位を（１００）面から［０１１］方向に傾斜させたことの効果が大幅に向上する。その結果、発光部、特に活性層３４の結晶性が大幅に向上し、発光効率が大幅に改善された。なお、本実施形態では、第２バッファ層３２と第１クラッド層３３との間に光反射層３９が設けているが、上記効果は同様に得られた。
【００６０】
本実施形態のように、第２バッファ層と第１クラッド層の成長温度を同じにした場合でも、第２バッファ層と第１クラッド層の組成を変えることによって、第１バッファ層上に直接第１クラッド層を成長するよりも急峻な成長界面が得られ、良好な結晶性を得ることができる。また、基板の傾斜角度を５度にしたことにより、実施形態１における１５度傾斜させた基板よりも製造コストを低く抑えることができる。
【００６１】
さらに、本実施形態では、光反射層３９を設けているので、従来では基板３１によって吸収されていた光を光反射層３９で反射させて有効に利用することができる。
【００６２】
（実施形態４）
この実施形態４では、本発明の半導体発光素子の一実施形態として、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードについて説明する。なお、本実施形態４において、実施形態１と異なる点は、第２バッファ層を成長後に昇温し、その後、第１クラッド層を成長したことであり、その他は実施形態１と同様である。
【００６３】
図６は、本実施形態の発光ダイオードの概略構成を示す断面図である。この発光ダイオードは、（１００）面から［０１１］方向に２度傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板４１上に、ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）第１バッファ層４８、ｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層４２、ｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）第１クラッド層４３、（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）活性層４４、ｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）第２クラッド層４５および（Ｉｎ ｆ Ａｌ １−ｆ ） ｇ Ｇａ １−ｇ Ｐ（０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１）電流拡散層４６が積層形成されている。電流拡散層４６上には電極４１１が設けられ、基板側には電極４１０が設けられている。この発光ダイオードは、例えば以下のようにして作製することができる。
【００６４】
まず、面方位が（１００）面から［０１１］方向に２度傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板４１上に、ＭＯＣＶＤ法により成長温度６００℃〜７００℃で厚み０．５μｍのｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１、例えばｘ＝０、Ｓｉ濃度５×１０ 17 ｃｍ-3）第１バッファ層４８および厚み０．０５μｍのｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、例えばｙ＝０．６、ｚ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０ 17 ｃｍ-3）第２バッファ層４２を成長する。
【００６５】
次に、成長温度７００℃〜８５０℃まで昇温した後、厚み１．０μｍのｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、例えばｓ＝１．０、ｔ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１クラッド層４３、厚み０．５μｍの（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、例えばａ＝０．４、ｂ＝０．５）からなる活性層４４、厚み１．０μｍのｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、例えばｃ＝１．０、ｄ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２クラッド層４５および厚み５μｍの（Ｉｎ ｆ Ａｌ １−ｆ ） ｇ Ｇａ １−ｇ Ｐ（０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１、例えばｆ＝０．０１、ｇ＝０．０１、Ｚｎ濃度５×１０18ｃｍ-3）電流拡散層４６を順次積層成長する。その後、電極４１１および電極４１０を形成して発光ダイオードが完成する。
【００６６】
このようにして得られる本実施形態の発光ダイオードにおいても、実施形態１と同様に、バッファ層をｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）第１バッファ層４８およびｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層４２の２層構造としたこと、および基板側のクラッド層（第１クラッド層４３）の組成を第２バッファ層４２のＡｌ組成よりも大きくしたことにより、ｎ−ＧａＡｓ基板４１の面方位を（１００）面から［０１１］方向に傾斜させたことの効果が大幅に向上する。その結果、発光部、特に活性層４４の結晶性が大幅に向上し、発光効率が大幅に改善された。
【００６７】
（実施形態５）
この実施形態５では、本発明の半導体発光素子の一実施形態として、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードについて説明する。なお、本実施形態５において、実施形態１と異なる点は、第２クラッド層５５と電流拡散層５６の間の素子中央部に電流阻止層５８を設けていることであり、その他は実施形態１と同様である。
【００６８】
図７は、本実施形態の発光ダイオードの概略構成を示す断面図である。この発光ダイオードは、（１００）面から［０１１］方向に１５度傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板５１上に、厚み０．５μｍのｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１、例えばｘ＝０、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１バッファ層５９および厚み０．０５μｍのｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） z Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、例えばｙ＝０．６、ｚ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２バッファ層５２、厚み１．０μｍのｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、例えばｓ＝１．０、ｔ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１クラッド層５３、厚み０．５μｍの（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、例えばａ＝０．４、ｂ＝０．５）からなる活性層５４、厚み１．０μｍのｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、例えばｃ＝１．０、ｄ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２クラッド層５５が積層形成され、素子中央部に厚み０．５μｍのｎ−ＧａＰ（Ｚｎ濃度１×１０19ｃｍ-3）電流阻止層５８が設けられている。その上に厚み５μｍの（Ｉｎ ｆ Ａｌ １−ｆ ） ｇ Ｇａ １−ｇ Ｐ（０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１、例えばｆ＝０．０１、ｇ＝０．０１、Ｚｎ濃度５×１０18ｃｍ-3）電流拡散層５６が積層形成され、電流拡散層５６上には電極５１１が設けられ、基板側には電極５１０が設けられている。
【００６９】
本実施形態の発光ダイオードにおいては、第２クラッド層５５と電流拡散層５６の間の素子中央部に電流阻止層５８が設けられているので、電極５１１から注入された電流が電流拡散層５６でさらに広がって、光取り出し効率がさらに向上する。
【００７０】
（実施形態６）
この実施形態６では、本発明の半導体発光素子の一実施形態として、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードについて説明する。なお、本実施形態６において、実施形態５と異なる点は、第２クラッド層６５と電流拡散層６６の間の素子中央部よりも周辺側に電流阻止層６８を設けていることであり、その他は実施形態５と同様である。
【００７１】
図８は、本実施形態の発光ダイオードの概略構成を示す断面図である。この発光ダイオードは、（１００）面から［０１１］方向に１５度傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板６１上に、厚み０．５μｍのｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１、例えばｘ＝０、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１バッファ層６９および厚み０．０５μｍのｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、例えばｙ＝０．６、ｚ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２バッファ層６２、厚み１．０μｍのｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、例えばｓ＝１．０、ｔ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１クラッド層６３、厚み０．５μｍの（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、例えばａ＝０．４、ｂ＝０．５）からなる活性層６４、厚み１．０μｍのｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、例えばｃ＝１．０、ｄ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０ 17 ｃｍ-3）第２クラッド層６５が積層形成され、素子中央部よりも周辺側に厚み０．５μｍのｎ−ＧａＰ（Ｚｎ濃度１×１０19ｃｍ-3）電流阻止層６８が設けられている。その上に厚み５μｍの（Ｉｎ ｆ Ａｌ １−ｆ ） ｇ Ｇａ １−ｇ Ｐ（０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１、例えばｆ＝０．０１、ｇ＝０．０１、Ｚｎ濃度５×１０18ｃｍ-3）電流拡散層６６が積層形成され、電流拡散層６６上には電極６１１が設けられ、基板側には電極６１０が設けられている。
【００７２】
本実施形態の発光ダイオードにおいては、第２クラッド層６５と電流拡散層６６の間の素子中央部よりも周辺側に電流阻止層６８が設けられているので、電極６１１から注入された電流が電流拡散層６６で中央部に集中し、光取り出し効率がさらに向上する。
【００７３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、バッファ層をＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）からなる第１バッファ層と（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）からなる第２バッファ層の２層構造としたことによって、ＧａＡｓ基板を（１００）面から［０１１］方向に傾斜させたことによる効果を充分に得ることができる。その結果、発光部、特に活性層の結晶性が大幅に向上して発光効率が改善された半導体発光素子を実現することができる。
【００７４】
上記第２バッファ層と第１クラッド層の組成を異ならせることにより、さらに発光部、特に活性層の結晶性が大幅に向上して発光効率を改善することができる。また、上記第２バッファ層と第１クラッド層の成長温度を異ならせたり、第２バッファ層や第１クラッド層の成長温度を徐々に変化させることによっても、さらに発光部、特に活性層の結晶性が大幅に向上して発光効率を改善することができる。特に、第２バッファ層のＡｌ組成よりも第１クラッド層のＡｌ組成の方が大きく、第２バッファ層の組成が０．３以上０．８以下である場合に、大きな効果を得ることができる。
【００７５】
上記第２クラッド層上に電流拡散層を設けることにより、電流を広げて活性層全体で発光させることができるので、発光効率を大幅に向上させることができる。
【００７６】
さらに、上記第２クラッド層と電流拡散層との間に電流阻止層を設けることにより、さらに効率的に電流を広げることができ、活性層全体で発光させることができるので、発光効率を大幅に改善することができる。
【００７７】
上記電流阻止層を素子中央部に設けることにより、電流を素子周辺部に広げると共に、効率良く光を取り出すことができるので、発光効率を大幅に改善することができる。
【００７８】
または、上記電流阻止層を素子中央よりも周辺側に設けらることにより、電流を素子中央部に集中させて電流密度を増加させると共に、効率良く光を取り出すことができるので、発光効率を大幅に改善することができる。
【００７９】
さらに、上記第１クラッド層よりも基板側に光反射層を設けることにより、従来では基板に吸収されていた光を光反射層で反射して外部に取り出すことができるので、光の利用効率を大幅に改善することができる。
【００８０】
さらに、上記第２クラッド層上に電流阻止層およびキャップ層を設けることにより、本発明を半導体レーザに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の半導体発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図２】実施形態２の半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図３】 III-V族半導体基板の結晶表面を示すモデル図である。
【図４】実施形態２の他の半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図５】実施形態３の半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図６】実施形態４の半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図７】実施形態５の半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図８】実施形態６の半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図９】従来の半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図１０】ＡｌＧａＩｎＰ層の表面の凹凸の深さに対する傾斜角度依存性を示す図である。
【符号の説明】
１、２１、３１、４１、５１、６１ ＧａＡｓ基板
２、２２、３８、４８、５９、６９ 第１バッファ層
３、２８、３２、４２、５２、６２ 第２バッファ層
４、２３、３３、４３、５３、６３ 第１クラッド層
５、２４、３４、４４、５４、６４ 活性層
６、２５、３５、４５、５５、６５ 第２クラッド層
７、３６、４６、５６、６６ 電流拡散層
１０、１１、２１０、２１１、３１０、３１１、４１０、４１１、５１０、５１１、６１０、６１１ 電極
２６ キャップ層
２７ 絶縁膜
２９、５８、６８ 電流阻止層
３９ 光反射層
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば発光ダイオードや半導体レーザ等の半導体発光素子の製造方法に関し、特に、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料からなる発光部を形成した半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体材料を用いた半導体素子は、ＧａＡｓ基板と格子整合が可能であること、およびIII-V族化合物半導体の中で最も直接遷移バンドギャップが大きいことから、可視領域の発光素子として、発光ダイオードや半導体レーザ等が知られている。
【０００３】
ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ系半導体層をＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）法やＭＢＥ（分子線エピタキシャル）法によりエピタキシャル成長する場合、良好な結晶性を得るためには、酸素等の不純物が混入しないこと、および良好な２次元成長が得られることが必要である。
【０００４】
このため、例えば図９に示すような従来のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザの場合、特開平６−５７１４９号公報には、ＧａＡｓ基板８１において（１００）面から［０１１］方向に傾斜した面上にＡｌＧａＩｎＰ層を成長する方法が提案されている。
【０００５】
この方法では、まず、（１００）面から［０１１］方向に傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板８１上に、ＭＯＣＶＤ法によりｎ−ＧａＩｎＰまたはｎ−ＡｌＧａＩｎＰバッファ層８２、ｎ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８３、ＧａＩｎＰ活性層８４、ｐ−ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８５およびｐ−ＧａＡｓキャップ層８６を成長する。次に、Ｐ−ＧａＡｓキャップ層８６上にＳｉＯ2膜を形成した後、中央部をストライプ状にエッチングする。その上に電極８１１を形成し、基板側には電極８１０を形成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の半導体レーザの製造方法においては、ＧａＡｓ基板の（１００）面から［０１１］方向に傾斜した面上に、ＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰバッファ層を成長した後、ＡｌＧａＩｎＰ系発光部をＭＯＣＶＤ法により成長している。
【０００７】
しかしながら、この方法では、第１にＧａＡｓ基板上に直接ＧａＩｎＰバッファ層またはＡｌＧａＩｎＰバッファ層を成長していること、および第２にバッファ層が１つの組成で構成されていることからＧａＡｓ基板を（１００）面から［０１１］方向に傾斜したことによる効果が十分に現れていない。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の課題を解決するためになされたものであり、（１００）面から［０１１］方向に傾斜したＧａＡｓ基板上に良好な結晶性を有するＡｌＧａＩｎＰ系半導体層を成長させて、発光効率を大幅に改善することができる半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体発光素子の製造方法は、（１００）面から［０１１］方向に２度以上傾斜した面を主面とするＧａＡｓ基板の該主面上に、気相成長法によって成長されたＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）の単一組成層からなる第１バッファ層と、該第１バッファ層上に前記気相成長法によって積層された（ＡｌyＧａ1-y）zＩｎ1-zＰ（０．３≦ｙ≦０．８、ｚ＝０．５）の単一組成層からなる第２バッファ層と、該第２バッファ層上に前記気相成長法によって積層された（ＡｌsＧａ1-s）tＩｎ1-tＰ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）からなる第１クラッド層と、第１クラッド層上に前記気相成長法によって積層された（ＡｌａＧａ1- ａ）ｂＩｎ1- ｂＰ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなる活性層と、該活性層上に前記気相成長法によって積層された（ＡｌｃＧａ1- ｃ）ｄＩｎ1- ｄＰ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）からなる第２クラッド層とを少なくとも備え、該第２バッファ層のＡｌ組成比ｙよりも該第１クラッド層のＡｌ組成比ｓの方が大きい半導体発光素子の製造方法であって、前記第２バッファ層を、前記第１バッファ層の成長温度から前記第１クラッド層の成長温度まで昇温させながらの成長によって形成することを特徴とし、そのことにより上記目的が達成される。
【００１５】
前記第２クラッド層上に電流拡散層を形成する工程をさらに含んでいてもよい。
【００１６】
前記第２クラッド層と前記電流拡散層との間に電流阻止層を形成する工程をさらに含んでいてもよい。
【００１９】
前記第１クラッド層よりも基板側に光反射層を備えていてもよい。
【００２１】
以下、本発明の作用について説明する。
【００２２】
本発明にあっては、ＧａＡｓ基板を（１００）面から［０１１］方向に傾斜させることにより、その上に成長するＡｌＧａＩｎＰ系半導体層に酸素が混入されにくくなり、良好な結晶性が得られる。この効果を十分に得るためには、２度以上傾斜させるのが好ましい。また、この（１００）面から［０１１］方向に傾斜した面上に、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）からなる第１バッファ層を形成することにより、基板から発光部への不純物拡散が抑制され、基板表面の凹凸の平坦性も改善される。また、当然のことながら、傾斜した面方位は保存される。ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓからなる第１バッファ層は、従来のＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰバッファ層と異なり、基板と同じ組成であるため、接合部に凹凸が発生したりせず、傾斜した面方位を維持しながら、基板より欠陥の少ない良好な結晶性を有するバッファ層を成長することが可能である。さらに、ＡｌＧａＡｓ（またはＧａＡｓ）第１バッファ層の上にＡｌＧａＩｎＰ（またはＧａＩｎＰ）第２バッファ層を介してＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層を有しているので、発光部、特に活性層の結晶性が大幅に向上して発光効率が改善される。なお、ＡｌＧａＡｓ（またはＧａＡｓ）第１バッファ層の上にＡｌＧａＩｎＰ（またはＧａＩｎＰ）からなる２層以上のバッファ層を設けてもよい。
【００２３】
上記第２バッファ層のＡｌ組成ｙよりも上記第１クラッド層のＡｌ組成ｓの方を大きくすることにより、発光部、特に活性層の結晶性が大幅に向上し、発光効率が改善された半導体発光素子を得ることが可能である。例えば、ＧａＡｓ（またはＡｌＧａＡｓ）バッファ層上にＡｌ組成が大きいクラッド層を直接成長すると良好な結晶が得られないが、Ａｌ組成が小さい第２バッファ層を成長してその上にＡｌ組成が大きい第１クラッド層を成長することにより、結晶性が改善される。なお、第２バッファ層や第１クラッド層の組成を徐々に変化させることも可能である。変化の仕方は、段階的であっても連続的であってもよい。
【００２４】
さらに、上記第２バッファ層のＡｌ組成ｙを０．３以上０．８以下にすることにより、発光部、特に活性層の結晶性が向上し、発光効率が改善された半導体発光素子を得ることが可能である。
【００２５】
また、上記第２バッファ層と第１クラッド層の成長温度を異ならせてもよい。例えば、Ａｌ組成が大きいＡｌＧａＩｎＰ層では最適成長温度が高いので、Ａｌ組成が大きいクラッド層（第１クラッド層）では成長温度を高くし、Ａｌ組成が小さいバッファ層（第２バッファ層）では成長温度を低くすることにより、結晶性がさらに改善される。
【００２６】
さらに、第２バッファ層の成長温度を徐々に（段階的または連続的に）変化させてもよい。例えば、ＧａＡｓ（またはＡｌＧａＡｓ）第１バッファ層の最適成長温度からＡｌＧａＩｎＰ（またはＧａＩｎＰ）第２バッファ層の最適成長温度まで昇温しながら成長させることにより、結晶性がさらに改善される。同様に、第１クラッド層の成長温度を徐々に変化させてもよい。
【００２７】
上記第２クラッド層上に電流拡散層を設けることにより、電流を広げて活性層全体で発光させることができるので、発光効率が大幅に向上する。
【００２８】
さらに、上記第２クラッド層と電流拡散層との間に電流阻止層を設けることにより、さらに効率的に電流を広げて活性層全体で発光させることができるので、発光効率が大幅に改善される。
【００２９】
上記電流阻止層を素子中央部に設けることにより、電流を素子周辺部に広げると共に、効率良く光を取り出すことができる。または、上記電流阻止層を素子中央よりも周辺側に設けらることにより、電流を素子中央部に集中させて電流密度を増加させると共に、効率良く光を取り出すことができる。
【００３０】
さらに、上記第１クラッド層よりも基板側に光反射層を設けることにより、従来では基板に吸収されていた光を光反射層で反射して外部に取り出すことができるので、光の利用効率が大幅に改善される。
【００３１】
第２クラッド層上に電流阻止層およびキャップ層を設けることにより、本発明を半導体レーザに適用可能となる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では半導体層の成長方法としてＭＯＣＶＤ法を用いたが、これに限られず、ＭＢＥ法等、気相成長方法であればどのような成長法を用いてもよい。また、各半導体層の組成は、適宜変更しても本発明の効果は充分に得られる。さらに、構造が異なっても、全ての半導体発光素子、例えば半導体レーザや発光ダイオード等に適用可能である。
【００３３】
（実施形態１）
この実施形態１では、本発明の半導体発光素子の一実施形態として、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードについて説明する。
【００３４】
図１（Ｄ）は、本実施形態の発光ダイオードの概略構成を示す断面図である。この発光ダイオードは、（１００）面から［０１１］方向に傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）第１バッファ層２、ｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層３、ｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）第１クラッド層４、（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）活性層５、ｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）第２クラッド層６およびｐ−（Ｉｎ ｆ Ａｌ １−ｆ ） ｇ Ｇａ １−ｇ Ｐ（０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１）電流拡散層７が積層形成されている。その中央部に電極１１が設けられ、基板側には電極１０が設けられている。
【００３５】
この発光ダイオードは、例えば以下のようにして作製することができる。
【００３６】
まず、図１（Ａ）に示す面方位が（１００）面から［０１１］方向に１５度傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ＭＯＣＶＤ法により図１（Ｂ）に示すように、厚み０．５μｍのｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１、例えばｘ＝０、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１バッファ層２を成長温度６００℃〜７００℃で成長し、次に、成長温度を６００℃〜７００℃から７００℃〜８５０℃まで昇温しながら、厚み０．０５μｍのｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、例えばｙ＝０．６、ｚ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２バッファ層３を成長する。
【００３７】
続いて、図１（Ｃ）に示すように、成長温度７００℃〜８５０℃にて、厚み１．０μｍのｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、例えばｓ＝１．０、ｔ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１クラッド層４、厚み０．５μｍの（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、例えばａ＝０．４、ｂ＝０．５）活性層５、厚み１．０μｍのｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、例えばｃ＝１．０、ｄ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２クラッド層６および厚み５μｍのｐ−（Ｉｎ ｆ Ａｌ １−ｆ ） ｇ Ｇａ １−ｇ Ｐ（０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１、例えばｆ＝０．０１、ｇ＝０．０１、Ｚｎ濃度５×１０18ｃｍ-3）電流拡散層７を順次積層成長する。
【００３８】
その後、図１（Ｄ）に示すように、電極１０および電極１１を形成して発光ダイオードが完成する。
【００３９】
このように、本実施形態では、ｎ−ＧａＡｓ基板１の面方位を（１００）面から［０１１］方向に１５度傾斜させ、バッファ層をｎ−ＡｌＧａＡｓ（またはＧａＡｓ）第１バッファ層２とＡｌＧａＩｎＰ（またはＧａＩｎＰ）第２バッファ層の２層構造とし、さらに、第２バッファ層３のＡｌ組成ｙ＝０．６よりも第１クラッド層４のＡｌ組成ｓ＝１．０の方を大きくしている。これにより、発光部、特に活性層５の結晶性が大幅に向上し、発光効率が大幅に改善された。以下、各々の効果について説明する。
【００４０】
第１に、ｎ−ＧａＡｓ基板１の面方位を（１００）面から［０１１］方向に傾斜させたことによる効果は、以下の通りである。
【００４１】
図２（Ａ）は、（１００）面ジャストのIII-V族結晶表面のモデル図であり、図２（Ｂ）は（１００）面から［０１１］方向に傾斜させたIII-V族結晶表面のモデル図である。この場合、III族元素はＧａ、Ａｌ、Ｉｎ原子等であり、V族元素はＡｓ、Ｐ原子である。この図２（Ａ）に示すように、面方位が（１００）面である表面は、２重結合を有するV族原子で覆われている。これに対して、図２（Ｂ）に示すように、［０１１］方向に傾斜させた表面は、III族原子の１重結合を有する結晶表面である（１１１）面がステップ毎に形成される。図２（Ｂ）では、（１１１）面部の基板が（１００）面から傾斜しているため、数１０μｍ毎に（１１１）面のステップが形成される。この面では、III族原子の１重結合が表面を覆っているため、V族原子（この場合はＰ原子）が供給されてIII族原子と結合する。しかし、１重結合のために結合が弱く、すぐに結合が切れてV族原子が表面上を拡散（マイグレーション）している状態になる。
【００４２】
ここで、（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）活性層５において、発光効率を低減する原因の１つとしてＯ（酸素）の混入が挙げられる。これは、Ｏ（酸素）がＡｌＧａＩｎＰ結晶中に混入すると非発光準位を形成するため、キャリアを注入した際に非発光再結合が生じるためである。このＯ（酸素）は、VI族元素であるためにV族サイトの格子位置に入り易い。しかし、（１００）面から［０１１］方向に傾斜させた表面では、上述のようにV族原子が表面を拡散（マイグレーション）しているため、結晶表面上にV族原子が多く存在し、V族サイトの格子位置にＯ（酸素）が入り難くなる。従って、ｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層３、ｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）第１クラッド層４、（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）活性層５、ｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）第２クラッド層６へのＯ（酸素）の混入が減少し、発光効率が大幅に改善される。また、（１１１）面がステップ毎に形成されているため、このステップ毎に良好な結晶性が得られる層状成長が起こり易い。これによって、結晶表面の凹凸の深さが大幅に低減し、平坦性も向上すると共に、結晶性が改善される。
【００４３】
図１０に（１００）面から［０１１］方向に０度から２０度まで傾斜したｎ−ＧａＡｓ基板上に（Ａｌ ｊ Ｇａ １−ｊ ） ｋ Ｉｎ １−ｋ Ｐ（ｊ＝１．０、ｋ＝０．５）を成長した場合について、表面の凹凸の深さを測定した結果を示す。この図から分かるように、（１００）面上、すなわち［０１１］方向に傾斜しない（０度）の場合には結晶表面の凹凸の深さが１０００オングストローム以上発生するのに対して、２度以上傾斜した場合には凹凸の深さが大幅に減少している。好ましくは５度〜２０度の範囲であり、それ以上では基板の製造コストが高くなるおそれがある。特に、１５度以上傾斜させることにより、凹凸の深さが１００オングストローム以下にまで減少して、良好な結晶性が得られる。
【００４４】
第２に、バッファ層をｎ−ＡｌＧａＡｓ（またはＧａＡｓ）第１バッファ層２とＡｌＧａＩｎＰ（またはＧａＩｎＰ）第２バッファ層の２層構造とした効果は以下の通りである。
【００４５】
ｎ−ＧａＡｓ基板１上にｎ−ＧａＡｓ第１バッファ層２を設けることにより、基板から発光部への不純物の拡散を抑制すると共に、基板表面の凹凸の平坦性が改善される。また、当然のことながら、傾斜した面方位も保存される。これらのことは、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に、ｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）第１バッファ層を設けた場合についても同様である。なお、Ａｌ組成ｘは０≦ｘ≦０．２であるのが好ましい。これに対して、従来のようにＧａＩｎＰまたはＡｌＧａＩｎＰバッファ層を設けた場合には、基板と組成が異なるために接合部に凹凸が発生したり、バッファ層中に欠陥が発生したりした。
【００４６】
第３に、第２バッファ層３のＡｌ組成ｙよりも第１クラッド層４のＡｌ組成ｓの方を大きくし、各々の層の成長温度を変えたことによる効果は以下の通りである。
【００４７】
ＧａＡｓ第１バッファ層上に、Ａｌ組成の大きいＡｌＧａＩｎＰ第１クラッド層を直接成長すると、組成が大きく異なるために成長界面が急峻ではなく、良好な結晶性が得られなかった。そこで、本実施形態では、ＧａＡｓ第１バッファ層２の上に、ｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）第１クラッド層４よりもＡｌ組成の小さいｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層３を成長することにより、良好な成長界面が得られ、また、良好な結晶性を有する第１クラッド層４を得ることができる。ＡｌＧａＩｎＰバッファ層は、ＩｎＧａＰよりもＡｌ組成を大きくすることにより、上クラッド層との界面が同じ材料系であるために良好となり、クラッド層よりもＡｌ組成を小さくすることにより、結晶性が向上する。特に、第２バッファ層のＡｌ組成ｙが０．３以上０．８以下であるのが最も好ましい。
【００４８】
さらに、ＧａＡｓ第１バッファ層２の最適成長温度は６５０℃〜７２０℃であるのに対して、ＡｌＧａＩｎＰ層の成長温度は７００℃以上であるのが好ましく、特に、ＡｌＩｎＰ層等のＡｌ組成の大きい層ではさらに高温で成長することが望ましい。そこで、本実施形態では、ＧａＡｓ第１バッファ層２と（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）第１クラッド層４との間に形成される（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層３の成長を、ＧａＡｓ第１バッファ層２の成長温度からＡｌ組成の大きい（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）第１クラッド層４の成長温度まで昇温しながら成長することにより、大幅に結晶性を改善することができる。これらのことは、ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）第１バッファ層を設けた場合についても同様である。
【００４９】
なお、本実施形態では、（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層３を昇温しながら成長したが、ｎ−ＧａＡｓ第１バッファ層２と同じ成長温度、（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）第１クラッド層４の成長温度と同じ成長温度、またはその間の成長温度で成長しても、上記３つの理由によって同様な効果が得られた。
【００５０】
（実施形態２）
この実施形態２では、本発明の半導体発光素子の一実施形態として、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザについて説明する。
【００５１】
図３は、本実施形態の半導体レーザの概略構成を示す断面図である。この半導体レーザは、（１００）面から［０１１］方向に１０度傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板２１上に、厚み０．５μｍのｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１、例えばｘ＝０、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１バッファ層２２、厚み０．５μｍのｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、例えばｙ＝０．５、ｚ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２バッファ層２８、厚み１．０μｍのｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、例えばｓ＝０．７、ｔ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１クラッド層２３、厚み１０ｎｍの（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、例えばａ＝０、ｂ＝０．５）からなる量子井戸層を５層と（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、例えばａ＝０．５、ｂ＝０．５）からなる障壁層を６層とを交互に積層した量子井戸活性層２４、厚み１．０μｍのｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、例えばｃ＝０．７、ｄ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２クラッド層２５および厚み１μｍのｐ−ＧａＡｓ（Ｚｎ濃度１×１０18ｃｍ-3）キャップ層２６が積層形成されている。キャップ層２６上には、ＳｉＯ2等からなる絶縁膜２７が設けられ、その中央部がストライプ状にエッチングされて電流通路となっている。その上に電極２１１が設けられ、基板側には電極２１０が設けられている。
【００５２】
本実施形態の半導体レーザにおいても、実施形態１と同様に、バッファ層をｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）第１バッファ層２２およびｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層２８の２層構造としたこと、および基板側のクラッド層（第１クラッド層２３）の組成を第２バッファ層２８のＡｌ組成よりも大きくしたことにより、ｎ−ＧａＡｓ基板２１の面方位を（１００）面から［０１１］方向に傾斜させたことの効果が大幅に向上する。その結果、発光部、特に活性層２４の結晶性が大幅に向上し、発光効率が大幅に改善された。
【００５３】
また、図４に示すように、電流阻止層２９およびキャップ層２６を設けた半導体レーザにおいては、電流を活性層の中央部に集中できるため、駆動電流を低減することができる。
【００５４】
（実施形態３）
この実施形態３では、本発明の半導体発光素子の一実施形態として、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードについて説明する。なお、本実施形態３において、実施形態１と異なる点は、基板の傾斜角度を５度にしたこと、第２バッファ層と第１クラッド層の成長温度を同じにしたこと、および光反射層を設けたことであり、その他は実施形態１と同様である。
【００５５】
図５は、本実施形態の発光ダイオードの概略構成を示す断面図である。この発光ダイオードは、（１００）面から［０１１］方向に５度傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板３１上に、ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）第１バッファ層３８、ｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層３２、ｎ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ光反射層３９、ｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）第１クラッド層３３、（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）活性層３４、ｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）第２クラッド層３５および（Ｉｎ ｆ Ａｌ １−ｆ ） ｇ Ｇａ １−ｇ Ｐ（０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１）電流拡散層３６が積層形成されている。電流拡散層３６上には電極３１１が設けられ、基板側には電極３１０が設けられている。
【００５６】
この発光ダイオードは、例えば以下のようにして作製することができる。
【００５７】
まず、面方位が（１００）面から［０１１］方向に５度傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板３１上に、ＭＯＣＶＤ法により成長温度６００℃〜７００℃で厚み０．５μｍのｎ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１、例えばｘ＝０、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１バッファ層３８を成長する。
【００５８】
次に、成長温度７００℃〜８５０℃で厚み０．０５μｍのｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、例えばｙ＝０．６、ｚ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２バッファ層３２、ｎ−ＡｌＡｓ／ＧａＡｓ光反射層（例えば厚さ１００オングストロームの２層構造を１０層）３９、厚み１．０μｍのｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、例えばｓ＝１．０、ｔ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１クラッド層３３、厚み０．５μｍの（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、例えばａ＝０．４、ｂ＝０．５）からなる活性層３４、厚み１．０μｍのｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、例えばｃ＝１．０、ｄ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２クラッド層３５および厚み５μｍの（Ｉｎ ｆ Ａｌ １−ｆ ） ｇ Ｇａ 1- ｇ Ｐ（０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１、例えばｆ＝０．０１、ｇ＝０．０１、Ｚｎ濃度５×１０18ｃｍ-3）電流拡散層３６を順次積層成長する。その後、電極３１１および電極３１０を形成して発光ダイオードが完成する。
【００５９】
このようにして得られる本実施形態の発光ダイオードにおいても、実施形態１と同様に、バッファ層をｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）第１バッファ層３８およびｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層３２の２層構造としたこと、および基板側のクラッド層（第１クラッド層３３）の組成を第２バッファ層３２のＡｌ組成よりも大きくしたことにより、ｎ−ＧａＡｓ基板３１の面方位を（１００）面から［０１１］方向に傾斜させたことの効果が大幅に向上する。その結果、発光部、特に活性層３４の結晶性が大幅に向上し、発光効率が大幅に改善された。なお、本実施形態では、第２バッファ層３２と第１クラッド層３３との間に光反射層３９が設けているが、上記効果は同様に得られた。
【００６０】
本実施形態のように、第２バッファ層と第１クラッド層の成長温度を同じにした場合でも、第２バッファ層と第１クラッド層の組成を変えることによって、第１バッファ層上に直接第１クラッド層を成長するよりも急峻な成長界面が得られ、良好な結晶性を得ることができる。また、基板の傾斜角度を５度にしたことにより、実施形態１における１５度傾斜させた基板よりも製造コストを低く抑えることができる。
【００６１】
さらに、本実施形態では、光反射層３９を設けているので、従来では基板３１によって吸収されていた光を光反射層３９で反射させて有効に利用することができる。
【００６２】
（実施形態４）
この実施形態４では、本発明の半導体発光素子の一実施形態として、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードについて説明する。なお、本実施形態４において、実施形態１と異なる点は、第２バッファ層を成長後に昇温し、その後、第１クラッド層を成長したことであり、その他は実施形態１と同様である。
【００６３】
図６は、本実施形態の発光ダイオードの概略構成を示す断面図である。この発光ダイオードは、（１００）面から［０１１］方向に２度傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板４１上に、ｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）第１バッファ層４８、ｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層４２、ｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）第１クラッド層４３、（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）活性層４４、ｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）第２クラッド層４５および（Ｉｎ ｆ Ａｌ １−ｆ ） ｇ Ｇａ １−ｇ Ｐ（０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１）電流拡散層４６が積層形成されている。電流拡散層４６上には電極４１１が設けられ、基板側には電極４１０が設けられている。この発光ダイオードは、例えば以下のようにして作製することができる。
【００６４】
まず、面方位が（１００）面から［０１１］方向に２度傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板４１上に、ＭＯＣＶＤ法により成長温度６００℃〜７００℃で厚み０．５μｍのｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１、例えばｘ＝０、Ｓｉ濃度５×１０ 17 ｃｍ-3）第１バッファ層４８および厚み０．０５μｍのｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、例えばｙ＝０．６、ｚ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０ 17 ｃｍ-3）第２バッファ層４２を成長する。
【００６５】
次に、成長温度７００℃〜８５０℃まで昇温した後、厚み１．０μｍのｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、例えばｓ＝１．０、ｔ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１クラッド層４３、厚み０．５μｍの（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、例えばａ＝０．４、ｂ＝０．５）からなる活性層４４、厚み１．０μｍのｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、例えばｃ＝１．０、ｄ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２クラッド層４５および厚み５μｍの（Ｉｎ ｆ Ａｌ １−ｆ ） ｇ Ｇａ １−ｇ Ｐ（０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１、例えばｆ＝０．０１、ｇ＝０．０１、Ｚｎ濃度５×１０18ｃｍ-3）電流拡散層４６を順次積層成長する。その後、電極４１１および電極４１０を形成して発光ダイオードが完成する。
【００６６】
このようにして得られる本実施形態の発光ダイオードにおいても、実施形態１と同様に、バッファ層をｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１）第１バッファ層４８およびｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）第２バッファ層４２の２層構造としたこと、および基板側のクラッド層（第１クラッド層４３）の組成を第２バッファ層４２のＡｌ組成よりも大きくしたことにより、ｎ−ＧａＡｓ基板４１の面方位を（１００）面から［０１１］方向に傾斜させたことの効果が大幅に向上する。その結果、発光部、特に活性層４４の結晶性が大幅に向上し、発光効率が大幅に改善された。
【００６７】
（実施形態５）
この実施形態５では、本発明の半導体発光素子の一実施形態として、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードについて説明する。なお、本実施形態５において、実施形態１と異なる点は、第２クラッド層５５と電流拡散層５６の間の素子中央部に電流阻止層５８を設けていることであり、その他は実施形態１と同様である。
【００６８】
図７は、本実施形態の発光ダイオードの概略構成を示す断面図である。この発光ダイオードは、（１００）面から［０１１］方向に１５度傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板５１上に、厚み０．５μｍのｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１、例えばｘ＝０、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１バッファ層５９および厚み０．０５μｍのｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） z Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、例えばｙ＝０．６、ｚ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２バッファ層５２、厚み１．０μｍのｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、例えばｓ＝１．０、ｔ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１クラッド層５３、厚み０．５μｍの（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、例えばａ＝０．４、ｂ＝０．５）からなる活性層５４、厚み１．０μｍのｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、例えばｃ＝１．０、ｄ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２クラッド層５５が積層形成され、素子中央部に厚み０．５μｍのｎ−ＧａＰ（Ｚｎ濃度１×１０19ｃｍ-3）電流阻止層５８が設けられている。その上に厚み５μｍの（Ｉｎ ｆ Ａｌ １−ｆ ） ｇ Ｇａ １−ｇ Ｐ（０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１、例えばｆ＝０．０１、ｇ＝０．０１、Ｚｎ濃度５×１０18ｃｍ-3）電流拡散層５６が積層形成され、電流拡散層５６上には電極５１１が設けられ、基板側には電極５１０が設けられている。
【００６９】
本実施形態の発光ダイオードにおいては、第２クラッド層５５と電流拡散層５６の間の素子中央部に電流阻止層５８が設けられているので、電極５１１から注入された電流が電流拡散層５６でさらに広がって、光取り出し効率がさらに向上する。
【００７０】
（実施形態６）
この実施形態６では、本発明の半導体発光素子の一実施形態として、ＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードについて説明する。なお、本実施形態６において、実施形態５と異なる点は、第２クラッド層６５と電流拡散層６６の間の素子中央部よりも周辺側に電流阻止層６８を設けていることであり、その他は実施形態５と同様である。
【００７１】
図８は、本実施形態の発光ダイオードの概略構成を示す断面図である。この発光ダイオードは、（１００）面から［０１１］方向に１５度傾斜した主面を有するｎ−ＧａＡｓ基板６１上に、厚み０．５μｍのｎ−ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ（０≦ｘ≦１、例えばｘ＝０、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１バッファ層６９および厚み０．０５μｍのｎ−（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１、例えばｙ＝０．６、ｚ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第２バッファ層６２、厚み１．０μｍのｎ−（Ａｌ ｓ Ｇａ １−ｓ ） ｔ Ｉｎ １−ｔ Ｐ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１、例えばｓ＝１．０、ｔ＝０．５、Ｓｉ濃度５×１０17ｃｍ-3）第１クラッド層６３、厚み０．５μｍの（Ａｌ ａ Ｇａ １−ａ ） ｂ Ｉｎ １−ｂ Ｐ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１、例えばａ＝０．４、ｂ＝０．５）からなる活性層６４、厚み１．０μｍのｐ−（Ａｌ ｃ Ｇａ １−ｃ ） ｄ Ｉｎ １−ｄ Ｐ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１、例えばｃ＝１．０、ｄ＝０．５、Ｚｎ濃度５×１０ 17 ｃｍ-3）第２クラッド層６５が積層形成され、素子中央部よりも周辺側に厚み０．５μｍのｎ−ＧａＰ（Ｚｎ濃度１×１０19ｃｍ-3）電流阻止層６８が設けられている。その上に厚み５μｍの（Ｉｎ ｆ Ａｌ １−ｆ ） ｇ Ｇａ １−ｇ Ｐ（０＜ｆ＜１、０＜ｇ＜１、例えばｆ＝０．０１、ｇ＝０．０１、Ｚｎ濃度５×１０18ｃｍ-3）電流拡散層６６が積層形成され、電流拡散層６６上には電極６１１が設けられ、基板側には電極６１０が設けられている。
【００７２】
本実施形態の発光ダイオードにおいては、第２クラッド層６５と電流拡散層６６の間の素子中央部よりも周辺側に電流阻止層６８が設けられているので、電極６１１から注入された電流が電流拡散層６６で中央部に集中し、光取り出し効率がさらに向上する。
【００７３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、バッファ層をＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）からなる第１バッファ層と（Ａｌ ｙ Ｇａ １−ｙ ） ｚ Ｉｎ １−ｚ Ｐ（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）からなる第２バッファ層の２層構造としたことによって、ＧａＡｓ基板を（１００）面から［０１１］方向に傾斜させたことによる効果を充分に得ることができる。その結果、発光部、特に活性層の結晶性が大幅に向上して発光効率が改善された半導体発光素子を実現することができる。
【００７４】
上記第２バッファ層と第１クラッド層の組成を異ならせることにより、さらに発光部、特に活性層の結晶性が大幅に向上して発光効率を改善することができる。また、上記第２バッファ層と第１クラッド層の成長温度を異ならせたり、第２バッファ層や第１クラッド層の成長温度を徐々に変化させることによっても、さらに発光部、特に活性層の結晶性が大幅に向上して発光効率を改善することができる。特に、第２バッファ層のＡｌ組成よりも第１クラッド層のＡｌ組成の方が大きく、第２バッファ層の組成が０．３以上０．８以下である場合に、大きな効果を得ることができる。
【００７５】
上記第２クラッド層上に電流拡散層を設けることにより、電流を広げて活性層全体で発光させることができるので、発光効率を大幅に向上させることができる。
【００７６】
さらに、上記第２クラッド層と電流拡散層との間に電流阻止層を設けることにより、さらに効率的に電流を広げることができ、活性層全体で発光させることができるので、発光効率を大幅に改善することができる。
【００７７】
上記電流阻止層を素子中央部に設けることにより、電流を素子周辺部に広げると共に、効率良く光を取り出すことができるので、発光効率を大幅に改善することができる。
【００７８】
または、上記電流阻止層を素子中央よりも周辺側に設けらることにより、電流を素子中央部に集中させて電流密度を増加させると共に、効率良く光を取り出すことができるので、発光効率を大幅に改善することができる。
【００７９】
さらに、上記第１クラッド層よりも基板側に光反射層を設けることにより、従来では基板に吸収されていた光を光反射層で反射して外部に取り出すことができるので、光の利用効率を大幅に改善することができる。
【００８０】
さらに、上記第２クラッド層上に電流阻止層およびキャップ層を設けることにより、本発明を半導体レーザに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の半導体発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図２】実施形態２の半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図３】 III-V族半導体基板の結晶表面を示すモデル図である。
【図４】実施形態２の他の半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図５】実施形態３の半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図６】実施形態４の半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図７】実施形態５の半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図８】実施形態６の半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図９】従来の半導体発光素子の概略構成を示す断面図である。
【図１０】ＡｌＧａＩｎＰ層の表面の凹凸の深さに対する傾斜角度依存性を示す図である。
【符号の説明】
１、２１、３１、４１、５１、６１ ＧａＡｓ基板
２、２２、３８、４８、５９、６９ 第１バッファ層
３、２８、３２、４２、５２、６２ 第２バッファ層
４、２３、３３、４３、５３、６３ 第１クラッド層
５、２４、３４、４４、５４、６４ 活性層
６、２５、３５、４５、５５、６５ 第２クラッド層
７、３６、４６、５６、６６ 電流拡散層
１０、１１、２１０、２１１、３１０、３１１、４１０、４１１、５１０、５１１、６１０、６１１ 電極
２６ キャップ層
２７ 絶縁膜
２９、５８、６８ 電流阻止層
３９ 光反射層
Claims (3)
- （１００）面から［０１１］方向に２度以上傾斜した面を主面とするＧａＡｓ基板の該主面上に、
気相成長法によって成長されたＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）の単一組成層からなる第１バッファ層と、
該第１バッファ層上に前記気相成長法によって積層された（ＡｌyＧａ1-y）zＩｎ1-zＰ（０．３≦ｙ≦０．８、ｚ＝０．５）の単一組成層からなる第２バッファ層と、
該第２バッファ層上に前記気相成長法によって積層された（ＡｌsＧａ1-s）tＩｎ1-tＰ（０≦ｓ≦１、０≦ｔ≦１）からなる第１クラッド層と、
第１クラッド層上に前記気相成長法によって積層された（ＡｌａＧａ1- ａ）ｂＩｎ1- ｂＰ（０≦ａ≦１、０≦ｂ≦１）からなる活性層と、
該活性層上に前記気相成長法によって積層された（ＡｌｃＧａ1- ｃ）ｄＩｎ1- ｄＰ（０≦ｃ≦１、０≦ｄ≦１）からなる第２クラッド層とを少なくとも備え、
該第２バッファ層のＡｌ組成比ｙよりも該第１クラッド層のＡｌ組成比ｓの方が大きい半導体発光素子の製造方法であって、
前記第２バッファ層を、前記第１バッファ層の成長温度から前記第１クラッド層の成長温度まで昇温させながらの成長によって形成することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。 - 前記第２クラッド層上に電流拡散層を形成する工程をさらに含む請求項１に記載の半導体発光素子の製造方法。
- 前記第２クラッド層と前記電流拡散層との間に電流阻止層を形成する工程をさらに含む請求項２に記載の半導体発光素子の製造方法。
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