JP5768879B2 - 化合物半導体基板、及びその製造方法、並びにその化合物半導体基板を用いた発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、化合物半導体基板、及びその製造方法、並びにその化合物半導体基板を用いた発光素子に関する。

近年、例えば緑色から赤色の範囲にわたって比較的高輝度の発光が得られやすいことから、発光素子として、ＧａＡｓ基板上に（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（以下、単にＡｌＧａＩｎＰと記載することがある）４元混晶からなる発光層をエピタキシャル成長させた化合物半導体基板から製造されたものがよく利用されている。

しかしながら、このようにＡｌＧａＩｎＰ等のＧａＡｓと格子定数が異なる発光層をＧａＡｓ基板上に形成する場合、その格子定数の差が大きいほど、例えば発光素子の輝度や発光寿命特性に与える影響は大きく、それらの諸特性が低下してしまっていた。また、化合物半導体基板に転位が発生してしまうことがあった。

そこで、従来では、例えば特許文献１に開示されているように、ＡｌＧａＩｎＰをエピタキシャル成長させる時において、ＡｌＧａＩｎＰとＧａＡｓの格子面（４００）のブラッグ角の差Δωが０″〜低角となるように、ＡｌＧａＩｎＰとＧａＡｓとの格子定数を整合させて、ＡｌＧａＩｎＰの組成を調整し、発光層を形成する方法が行われていた。

また、ＧａＡｓからＡｌＧａＩｎＰの格子定数まで徐々に混晶率が変化する層を形成したり、不整合を緩和する層を形成したりすることにより、エピタキシャル成長させたＡｌＧａＩｎＰ層の格子定数をＧａＡｓの格子定数に近づける試みが行われていた。

しかしながら、このような従来のエピタキシャル成長温度における格子定数を考慮した製造方法や、ＡｌＧａＩｎＰとＧａＡｓとの格子定数の差を小さくするための層を間に形成する製造方法のみでは、製造された発光素子（化合物半導体基板）の輝度および発光寿命特性等の諸特性が不安定であり、必ずしも満足する結果が得られていなかった。

特開平９−１８６３６０号公報

さらに、ＡｌＧａＩｎＰをエピタキシャル成長させる時において、ＡｌＧａＩｎＰとＧａＡｓの格子面（４００）のブラッグ角の差Δωが０″〜低角となるように、ＡｌＧａＩｎＰとＧａＡｓとの格子定数を整合させて、ＡｌＧａＩｎＰの組成を調整し、発光層を形成する方法の場合には、発光層へ転位が伝播しやすいため、化合物半導体基板全体の発光寿命特性の劣化や、化合物半導体基板面内における発光寿命特性のバラツキが生じ、またその劣化やバラツキの程度もバッチ間で不安定となることが分かった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、発光層への転位の伝播が抑制されることで、発光寿命特性が増大され、発光寿命特性の面内のバラツキが改善され、更に輝度が改善された高品質の化合物半導体基板、及びその製造方法を提供することを目的とする。更に、本発明では、前記化合物半導体基板を用いた発光素子を提供することを目的とする。

本発明では、第２ＧａＰ窓層上に、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）で示される下クラッド層、活性層、及び上クラッド層のダブルへテロ構造からなる発光層を有し、該発光層上に第１ＧａＰ窓層を有する化合物半導体基板であって、
前記下クラッド層、前記活性層、及び前記上クラッド層の（４００）面でのブラッグ角とＧａＡｓ単結晶の（４００）面でのブラッグ角の差Δω（以下、単にΔωと記載することがある）が室温でそれぞれ５０″〜２００″となるように、前記下クラッド層、前記活性層、及び前記上クラッド層の格子定数が整合されたものであることを特徴とする化合物半導体基板を提供する。

このように、Δωが室温でそれぞれ５０″〜２００″となるように、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の格子定数を整合された化合物半導体基板であれば、化合物半導体基板の各層間の応力緩和が有効に働き、ミスフィット転位等の転位の発光層各層への伝播が抑制されたものとなるため、発光寿命特性が増大され、発光寿命特性の面内のバラツキが改善され、更に輝度が改善された化合物半導体基板となる。

また、Δωが室温でそれぞれ５０″〜１５０″、特には５０″〜１００″となるように、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の格子定数が整合されたものであることが好ましい。

このようなΔωの範囲であれば、化合物半導体基板の各層間の応力緩和がより有効に働き、ミスフィット転位等の転位の発光層各層への伝播が抑制されたものとなるため、一層、発光寿命特性が増大され、発光寿命特性の面内のバラツキが改善され、更に輝度が改善された化合物半導体基板となる。

さらに、本発明では、前記化合物半導体基板から製造されたものであることを特徴とする発光素子を提供する。

このような発光素子であれば、発光寿命特性が増大され、発光素子間で発光寿命特性のバラツキが改善され、更に輝度が改善された発光素子となる。

また、本発明では、ＧａＡｓ基板上に、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）で示される下クラッド層、活性層、及び上クラッド層のダブルへテロ構造からなる発光層をエピタキシャル成長する発光層成長工程と、
前記発光層上に第１ＧａＰ窓層をエピタキシャル成長する第１ＧａＰ窓層成長工程と、
前記ＧａＡｓ基板をエッチング除去し、前記下クラッド層を露出させるエッチング工程と、
前記露出した下クラッド層上に第２ＧａＰ窓層を形成する第２ＧａＰ窓層形成工程とを含む化合物半導体基板の製造方法であって、
前記発光層成長工程において、前記下クラッド層、前記活性層、及び前記上クラッド層の（４００）面でのブラッグ角と前記ＧａＡｓ基板の（４００）面でのブラッグ角の差Δωが室温でそれぞれ５０″〜２００″となるように、前記ＧａＡｓ基板上に前記発光層をエピタキシャル成長することを特徴とする化合物半導体基板の製造方法を提供する。

このような発光層成長工程を有する化合物半導体基板の製造方法であれば、製造時において、化合物半導体基板の各層間の応力緩和が有効に働き、ミスフィット転位等の転位が発光層各層に伝播しにくいため、発光寿命特性が増大され、発光寿命特性の面内のバラツキが改善され、更に輝度が改善された化合物半導体基板を製造することができる方法となる。

また、発光層成長工程において、前記Δωが室温でそれぞれ５０″〜１５０″、特には５０″〜１００″となるように、ＧａＡｓ基板上に発光層をエピタキシャル成長することが好ましい。

このような発光層成長工程であれば、製造時において、化合物半導体基板の各層間の応力緩和がより有効に働き、ミスフィット転位等の転位が発光層各層により伝播しにくくなるため、一層、発光寿命特性が増大され、発光寿命特性の面内のバラツキが改善され、更に輝度が改善された化合物半導体基板を製造することができる方法となる。

以上説明したように、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の（４００）面でのブラッグ角とＧａＡｓ単結晶の（４００）面でのブラッグ角の差Δωが室温でそれぞれ５０″〜２００″となるように、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の格子定数を整合する本発明の化合物半導体基板であれば、化合物半導体基板の各層間の応力が緩和され、ミスフィット転位等の転位の発光層各層への伝播が抑制されたものとなるので、発光寿命特性が増大され、発光寿命特性の面内のバラツキが改善され、更に輝度が改善された化合物半導体基板となる。

本発明の化合物半導体基板の概略断面図である。 （ａ）Δωが室温でそれぞれ０″〜低角となるように、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の格子定数を整合した場合の化合物半導体基板の概略断面図に、内部応力に伴う転位の伝播方向を示した図であり、（ｂ）Δωが室温でそれぞれ５０″〜２００″となるように、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の格子定数を整合した場合の化合物半導体基板の概略断面図に、内部応力に伴う転位の伝播方向を示した図である。 （ａ）Δωが室温でそれぞれ０″となるように、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の格子定数を整合した場合の化合物半導体基板の活性層のＸ線トポグラフィ写真であり、（ｂ）Δωが室温でそれぞれ１００″となるように、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の格子定数を整合した場合の化合物半導体基板の活性層のＸ線トポグラフィ写真である。 本発明の化合物半導体基板の製造方法のフロー図である。 実施例１〜５及び比較例１〜２の発光素子の発光寿命特性、及び面内の発光寿命特性のバラツキを表わしたグラフである。

以下、本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。前述のように、発光層への転位の伝播が抑制された化合物半導体基板が望まれていた。

本発明者らは、上記課題に対し鋭意検討を重ねた結果、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の（４００）面でのブラッグ角とＧａＡｓ単結晶の（４００）面でのブラッグ角の差Δωが室温でそれぞれ５０″〜２００″となるように、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の格子定数を整合された化合物半導体基板であれば、化合物半導体基板の各層間の応力が緩和されることを見出し、これにより発光層へのミスフィット転位等の転位の伝播が抑制され、発光寿命特性、面内の発光寿命特性のバラツキ、及び輝度が改善されることを見出して、本発明を完成させた。以下、図１〜５を参照して、詳細に説明する。

［化合物半導体基板］
本発明では、第２ＧａＰ窓層上に、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）で示される下クラッド層、活性層、及び上クラッド層のダブルへテロ構造からなる発光層を有し、該発光層上に第１ＧａＰ窓層を有する化合物半導体基板であって、
前記下クラッド層、前記活性層、及び前記上クラッド層の（４００）面でのブラッグ角とＧａＡｓ単結晶の（４００）面でのブラッグ角の差Δωが室温でそれぞれ５０″〜２００″となるように、前記下クラッド層、前記活性層、及び前記上クラッド層の格子定数が整合されたものであることを特徴とする化合物半導体基板を提供する。

〔第１ＧａＰ窓層及び第２ＧａＰ窓層〕
本発明における第１ＧａＰ窓層１及び第２ＧａＰ窓層６は、ＧａＰからなる透明導電性膜であれば特に限定されない（図１）。第１ＧａＰ窓層及び第２ＧａＰ窓層は、例えば厚膜透明導電性膜とすることができ、第１ＧａＰ窓層の厚さとしては、１０μｍ〜１００μｍが好ましい。また、第２ＧａＰ窓層の厚さとしては、１０μｍ〜１００μｍが好ましい。このように厚膜の第１ＧａＰ窓層及び第２ＧａＰ窓層であっても、本発明の化合物半導体基板であれば発光寿命特性、面内の発光寿命特性のバラツキ、及び輝度が改善されたものとなる。

また、第１ＧａＰ窓層及び第２ＧａＰ窓層は電流拡散層であることが好ましい。第１ＧａＰ窓層及び第２ＧａＰ窓層が電流拡散層であれば、電極の近傍だけでなく、広い範囲で効率よく発光させることが可能となる。

〔発光層〕
本発明における発光層５は、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）で示される下クラッド層４、活性層３、及び上クラッド層２のダブルへテロ構造からなる（図１）。

下クラッド層４、活性層３、及び上クラッド層２の格子定数は、下クラッド層４、活性層３、及び上クラッド層２の（４００）面でのブラッグ角とＧａＡｓ単結晶の（４００）面でのブラッグ角の差Δωが室温でそれぞれ５０″〜２００″、好ましくは５０″〜１５０″、より好ましくは５０″〜１００″となるように、整合されたものである。

Δωの算出としては、測定用のＸ線として波長λ＝１．５４０５ÅのＣｕＫα１線を用い、ＧａＡｓ基板の（４００）面でのブラッグ角ωとＡｌＧａＩｎＰ下クラッド層、活性層、上クラッド層の（４００）面でのブラッグ角ω’をそれぞれ測定し、その差Δω（＝ω’−ω）を求めることで行うことができる。

このように、Δωが室温でそれぞれ５０″〜２００″、好ましくは５０″〜１５０″、より好ましくは５０″〜１００″となるように、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の格子定数を整合されることにより、化合物半導体基板の各層間の応力緩和が有効に働き、ミスフィット転位等の転位の発光層各層への伝播が抑制されたものとなる。そのため、発光寿命特性が増大され、発光寿命特性の面内のバラツキが改善され、更に輝度が改善された化合物半導体基板となる。以下、図２、３を参照してより詳細に説明する。

Δωが室温でそれぞれ０″〜低角となるように、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の格子定数を整合した場合の化合物半導体基板の概略断面図図２（ａ）に、内部応力に伴う転位の伝播方向を示した。また、Δωが室温でそれぞれ５０″〜２００″となるように、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の格子定数を整合した場合の化合物半導体基板の概略断面図図２（ｂ）に、内部応力に伴う転位の伝播方向を示した。

図２（ａ）に示すようにΔωが室温でそれぞれ０″〜低角であると、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）で示される下クラッド層、活性層、及び上クラッド層に圧縮圧力がかかり、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層にミスフィット転位等の転位が伝播する。これにより、従来は化合物半導体基板の発光寿命特性が劣化し、化合物半導体基板面内の発光寿命特性のバラツキが生じ、更に輝度が悪化していた。一方で、図２（ｂ）に示すようにΔωが室温でそれぞれ５０″〜２００″であると、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層にかかる応力は緩和され、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層のミスフィット転位などの転位の伝播は抑制される。これにより、本発明の化合物半導体基板では発光寿命特性が増大され、発光寿命特性の面内のバラツキが改善され、更に輝度が改善されたものとなる。

Δωと転位の関係を示すために、化合物半導体基板の下クラッド層と第２ＧａＰ窓層の界面のＸ線トポグラフィ写真を撮影した。Δωが室温でそれぞれ０″となるように、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の格子定数を整合した場合の化合物半導体基板の活性層のＸ線トポグラフィ写真を図３（ａ）に示す。また、Δωが室温でそれぞれ１００″となるように、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の格子定数を整合した場合の化合物半導体基板の活性層のＸ線トポグラフィ写真を図３（ｂ）に示す。

Δωが室温でそれぞれ０″であると下クラッド層、活性層、及び上クラッド層に圧縮圧力がかかり、化合物半導体基板の各層間の内部応力バランスが悪くなる。これにより、転位（ミスフィット等）が下クラッド層／ＧａＡｓ基板除去面（第２ＧａＰ層）界面から発光層方向に伸びる（図２（ａ）参照）。その結果、図３（ａ）に示すように活性層など発光層各層に転位が生じ、発光寿命特性の悪化、面内のバラツキ、輝度の低下が生じることとなる。

一方で、本発明の化合物半導体基板のようにΔωが室温でそれぞれ１００″であると、Δωを５０″〜２００″にする事で内部応力が緩和され、転位が下クラッド層／ＧａＡｓ基板除去面（第２ＧａＰ層）界面から発光層方向へ伸びるのに代わり、第２ＧａＰ層方向に伸びやすい（図２（ｂ）参照）。その結果、図３（ｂ）に示すように、活性層など発光層各層のミスフィット転位などの転位は抑制される。そのため、本発明の化合物半導体基板は発光寿命特性が増大され、発光寿命特性の面内のバラツキが改善され、更に輝度が改善されたものとなる。

［化合物半導体基板の製造方法］
また、本発明では、ＧａＡｓ基板上に、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）で示される下クラッド層、活性層、及び上クラッド層のダブルへテロ構造からなる発光層をエピタキシャル成長する発光層成長工程と、
前記発光層上に第１ＧａＰ窓層をエピタキシャル成長する第１ＧａＰ窓層成長工程と、
前記ＧａＡｓ基板をエッチング除去し、前記下クラッド層を露出させるエッチング工程と、
前記露出した下クラッド層上に第２ＧａＰ窓層を形成する第２ＧａＰ窓層形成工程とを含む化合物半導体基板の製造方法であって、
前記発光層成長工程において、前記下クラッド層、前記活性層、及び前記上クラッド層の（４００）面でのブラッグ角と前記ＧａＡｓ基板の（４００）面でのブラッグ角の差Δωが室温でそれぞれ５０″〜２００″となるように、前記ＧａＡｓ基板上に前記発光層をエピタキシャル成長することを特徴とする化合物半導体基板の製造方法を提供する。以下、図４を参照して詳細に説明する。

〔ＧａＡｓ基板の準備（図４の（Ｉ）工程）〕
ＧａＡｓ基板としては、一般にＡｌＧａＩｎＰ混晶を成長させる基板となるものであれば特に制限されないが、例えば面方位（１００）のオフアングル２〜１５度のものを用いることができる。このＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＰ、ＧａＰ、ＧａＡｓＰなどの化合物半導体膜が形成されたＧａＡｓ基板も用いることができる。これらの化合物半導体膜をＭＯＶＰＥ法でＧａＡｓ基板上に形成する場合は、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＡｓＨ_３、ＰＨ_３などの原料ガスが用いられ、また、導電型を制御するための半導体不純物用ガスとしては、ＤＭＺ（ジメチルジンク）、ＤＥＺ（ジエチルジンク）やＣｐ_２Ｍｇ、ＳｉＨ_４、Ｈ_２Ｓｅなどが用いられる。このようにして形成される化合物半導体膜は、例えば発光ダイオードなどの発光素子等の用途に応じて適宜選択することができる。

〔発光層成長工程（図４の（ＩＩ）工程）〕
本発明における発光層成長工程では、ＧａＡｓ基板上に、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）で示される下クラッド層、活性層、及び上クラッド層のダブルへテロ構造からなる発光層をエピタキシャル成長する。この発光層成長工程では、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の（４００）面でのブラッグ角と前記ＧａＡｓ基板の（４００）面でのブラッグ角の差Δωが室温でそれぞれ５０″〜２００″、好ましくは５０″〜１５０″、より好ましくは５０″〜１００″となるように、ＧａＡｓ基板上に発光層をエピタキシャル成長する。発光層の成長方法としては特に制限されないが、減圧２００ｍｂａｒ以下、６００℃以上の条件でＭＯＶＰＥ法を用いて行うことができる。例えば、原料ガスとしてはＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＰＨ_３などが用いられ、また、導電型を制御するための半導体不純物用ガスとしては、ＤＭＺ（ジメチルジンク）、ＤＥＺ（ジエチルジンク）やＣｐ_２Ｍｇ、ＳｉＨ_４、Ｈ_２Ｓｅなどが用いられる。

ＡｌＧａＩｎＰからなる発光層各層の調整条件は、例えば、ＧａＡｓの格子面（４００）の室温でのブラッグ角と（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）の格子面（４００）の室温におけるブラッグ角を測定しておき、これらを比較してΔωが５０″〜２００″の範囲になるような調整条件を予め特定することで決定することができる。

〔第１ＧａＰ窓層成長工程（図４の（ＩＩＩ）工程）〕
本発明における第１ＧａＰ窓層成長工程では、発光層上に第１ＧａＰ窓層をエピタキシャル成長する。成長方法は特に限定されないが、例えば６００℃以上の条件でＶＰＥ法により厚膜透明導電性膜（ＧａＰ）をエピタキシャル成長させることができる。第１ＧａＰ窓層の厚さとしては、特に制限されないが１０μｍ〜１００μｍが好ましい。このように厚膜の第１ＧａＰ窓層であっても、本発明の化合物半導体基板の製造方法であれば発光寿命特性、面内の発光寿命特性のバラツキ、及び輝度が改善された化合物半導体基板を製造することができる。

〔エッチング工程（図４の（ＶＩ）工程）〕
本発明におけるエッチング工程では、ＧａＡｓ基板をエッチング除去し、下クラッド層を露出させる。

〔第２ＧａＰ窓層形成工程（図４の（Ｖ）工程）〕
本発明における第２ＧａＰ窓層形成工程では、露出した下クラッド層上に第２ＧａＰ窓層をエピタキシャル成長し、又は透明導電性ＧａＰ基板を接合することで第２ＧａＰ窓層を形成することができる。エピタキシャル成長方法は特に限定されず、例えば６００℃以上の条件でＶＰＥ法により行うことができる。また、接合方法も特に制限されず、１００℃以上で熱処理することで接合することができる。

［発光素子］
さらに、本発明では上記化合物半導体基板から製造されたものであることを特徴とする発光素子を提供する。特に制限されないが、上記化合物半導体基板にＡｕ系Ｐ型及びＮ型のオーミック電極を形成し、任意のサイズ、例えば２５０μｍ〜３００μｍ角にチップ化して発光素子を製造することができる（図４の（ＶＩ）工程）。このような発光素子であれば、発光寿命特性が増大され、発光素子間で発光寿命特性のバラツキが改善され、更に輝度が改善された発光素子となる。

以下、本発明の実施例および比較例をあげてさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
ＧａＡｓ基板上に、ＭＯＶＰＥ法によってＮ型Ｓｉドープ（キャリア濃度１×１０^１８／ｃｍ^３）、厚さ０．５μｍのＧａＡｓバッファー層とＮ型Ｓｉドープ（キャリア濃度１×１０^１８／ｃｍ^３）、厚さ１μｍのＡｌＧａＩｎＰ下クラッド層をエピタキシャル成長させ、ノンドープ、厚さ１μｍのＡｌＧａＩｎＰ活性層をエピタキシャル成長させ、Ｐ型Ｍｇドープ（キャリア濃度１×１０^１７／ｃｍ^３）、厚さ１μｍのＡｌＧａＩｎＰ上クラッド層をエピタキシャル成長させた（発光層成長工程）。

この発光層成長工程において、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の（４００）面でのブラッグ角と前記ＧａＡｓ基板の（４００）面でのブラッグ角の差Δωが室温でそれぞれ５０″となるように、発光層の結晶組成を調整して、ＧａＡｓ基板上に発光層をエピタキシャル成長させた。

続いて、第１ＧａＰ窓層としてＰ型Ｍｇドープ（キャリア濃度３×１０^１７／ｃｍ^３）、厚さ２μｍのＧａＰ層をエピタキシャル成長させ、その後ＶＰＥ法でＰ型Ｚｎドープ（キャリア濃度８×１０^１７／ｃｍ^３）、厚さ５０μｍの厚膜透明導電性ＧａＰ層をエピタキシャル成長させ（第１ＧａＰ窓層成長工程）、その後にＧａＡｓ基板をエッチング除去した（エッチング工程）。最後に、ＶＰＥ法で第２ＧａＰ窓層としてＮ型Ｓドープ（キャリア濃度５×１０^１７／ｃｍ^３）、厚さ１００μｍのＧａＰ層をエピタキシャル成長させて（第２ＧａＰ窓層形成工程）化合物半導体基板を作製した。

この化合物半導体基板にＡｕ系Ｐ型及びＮ型のオーミック電極を形成し、任意のサイズにチップ化して発光素子を製造した。このようにして製造された本発明の発光素子の輝度および発光寿命特性を測定した。測定時の温度は８５℃、湿度は４５％とし、電流２０ｍＡでの発光出力Ｐｏ（ｍＷ）を測定し、また、５０ｍＡ以上の電流を１００時間通電させた後に再度発光出力を測定し、発光寿命特性（％）を算出した。その測定結果を表１に示す。

また、２結晶Ｘ線回折法により測定したＡｌＧａＩｎＰ活性層の格子面（４００）のブラッグ角、該ブラッグ角から算出した変形格子定数並びに緩和格子定数、及びＧａＡｓ単結晶とＡｌＧａＩｎＰ活性層の格子不整合率の結果も表１に示す。なお、２結晶Ｘ線回折法では測定用のＸ線として波長λ＝１．５４０５ÅのＣｕＫα１線を用いた。

なお、変形格子定数、緩和格子定数、及び格子不整合率は下記式（１）、（２）、（３）で求めることができる。
変形格子定数＝２×ＣｕＫα１線の波長λ／ｓｉｎ（ＡｌＧａＩｎＰ活性層の（４００）面でのブラッグ角ω’π／１８０） ……（１）
緩和格子定数＝０．４７×ＧａＡｓ格子定数＋０．５３×変形格子定数 ……（２）
格子不整合率＝（緩和格子定数−ＧａＡｓ格子定数）／ＧａＡｓ格子定数……（３）
ここで、ＧａＡｓ格子定数は５．６５３２５Åとした。

（実施例２）
Δωが室温でそれぞれ７５″となるように、発光層の結晶組成を調整して、ＧａＡｓ基板上に発光層をエピタキシャル成長させた以外は実施例１と同様にして発光素子を作製した。

（実施例３）
Δωが室温でそれぞれ１００″となるように、発光層の結晶組成を調整して、ＧａＡｓ基板上に発光層をエピタキシャル成長させた以外は実施例１と同様にして発光素子を作製した。

（実施例４）
Δωが室温でそれぞれ１５０″となるように、発光層の結晶組成を調整して、ＧａＡｓ基板上に発光層をエピタキシャル成長させた以外は実施例１と同様にして発光素子を作製した。

（実施例５）
Δωが室温でそれぞれ２００″となるように、発光層の結晶組成を調整して、ＧａＡｓ基板上に発光層をエピタキシャル成長させた以外は実施例１と同様にして発光素子を作製した。

（比較例１）
Δωが室温でそれぞれ−１００″となるように、発光層の結晶組成を調整して、ＧａＡｓ基板上に発光層をエピタキシャル成長させた以外は実施例１と同様にして発光素子を作製した。

（比較例２）
Δωが室温でそれぞれ０″となるように、発光層の結晶組成を調整して、ＧａＡｓ基板上に発光層をエピタキシャル成長させた以外は実施例１と同様にして発光素子を作製した。

以上のようにして製造された実施例１〜５、比較例１〜２の発光素子の出力Ｐｏ（ｍＷ）、発光寿命特性（％）、ＡｌＧａＩｎＰ活性層の格子面（４００）でのブラッグ角、変形格子定数、緩和格子定数、格子不整合率を表１に示す。

さらに、実施例１〜５、比較例１〜２の発光素子の発光寿命特性と、面内での発光寿命特性のバラツキを測定した結果を図５に示す。図５の横軸は化合物半導体基板の面内位置を示し、縦軸はその面内位置に対応する発光寿命特性を示す。

以上のように、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の（４００）面でのブラッグ角と前記ＧａＡｓ基板の（４００）面でのブラッグ角の室温付近での差Δωを−１００″から＋２００″まで振って比較すると、Δωが５０″〜２００″のときに発光寿命特性が上昇していることがわかる（表１）。さらに、Δωが５０″〜２００″である本発明の化合物半導体基板の実施例１〜５では発光寿命特性の向上と同時に面内のバラツキ、出力（輝度）も改善されていることが示された（図５）。

一方で、ＧａＡｓ基板とＡｌＧａＩｎＰ活性層の（４００）面でのブラッグ角の差Δωが０″から低角側の比較例１及び比較例２では、化合物半導体基板の各層間の内部応力バランスが悪く、転位（ミスフィット等）が下クラッド層／ＧａＡｓ基板除去面（第２ＧａＰ層）界面から発光層方向に伸びるため、発光層に転位が生じ発光寿命特性の悪化、面内のバラツキ、輝度の低下が生じていることが示された。

以上説明したように、クラッド層、活性層、及び上クラッド層の（４００）面でのブラッグ角とＧａＡｓ単結晶の（４００）面でのブラッグ角の差Δωが室温でそれぞれ５０″〜２００″となるように、下クラッド層、活性層、及び上クラッド層の格子定数を整合する本発明の化合物半導体基板であれば、化合物半導体基板の各層間の応力が緩和され、ミスフィット転位等の転位の発光層各層への伝播が抑制されたものとなるので、発光寿命特性が増大され、発光寿命特性の面内のバラツキが改善され、更に輝度が改善された化合物半導体基板となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

Claims (7)

1. 第２ＧａＰ窓層上に、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）で示される下クラッド層、活性層、及び上クラッド層のダブルへテロ構造からなる発光層を有し、該発光層上に第１ＧａＰ窓層を有する化合物半導体基板であって、
   前記下クラッド層、前記活性層、及び前記上クラッド層の（４００）面でのブラッグ角とＧａＡｓ単結晶の（４００）面でのブラッグ角の差Δωが室温でそれぞれ５０″〜２００″となるように、前記下クラッド層、前記活性層、及び前記上クラッド層の格子定数が整合されたものであることを特徴とする化合物半導体基板。
   
2. 前記Δωが室温でそれぞれ５０″〜１５０″となるように、前記下クラッド層、前記活性層、及び前記上クラッド層の格子定数が整合されたものであることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板。
   
3. 前記Δωが室温でそれぞれ５０″〜１００″となるように、前記下クラッド層、前記活性層、及び前記上クラッド層の格子定数が整合されたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の化合物半導体基板。
   
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の化合物半導体基板から製造されたものであることを特徴とする発光素子。
   
5. ＧａＡｓ基板上に、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）で示される下クラッド層、活性層、及び上クラッド層のダブルへテロ構造からなる発光層をエピタキシャル成長する発光層成長工程と、
   前記発光層上に第１ＧａＰ窓層をエピタキシャル成長する第１ＧａＰ窓層成長工程と、
   前記ＧａＡｓ基板をエッチング除去し、前記下クラッド層を露出させるエッチング工程と、
   前記露出した下クラッド層上に第２ＧａＰ窓層を形成する第２ＧａＰ窓層形成工程とを含む化合物半導体基板の製造方法であって、
   前記発光層成長工程において、前記下クラッド層、前記活性層、及び前記上クラッド層の（４００）面でのブラッグ角と前記ＧａＡｓ基板の（４００）面でのブラッグ角の差Δωが室温でそれぞれ５０″〜２００″となるように、前記ＧａＡｓ基板上に前記発光層をエピタキシャル成長することを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
   
6. 前記発光層成長工程において、前記Δωが室温でそれぞれ５０″〜１５０″となるように、前記ＧａＡｓ基板上に前記発光層をエピタキシャル成長することを特徴とする請求項５に記載の化合物半導体基板の製造方法。
   
7. 前記発光層成長工程において、前記Δωが室温でそれぞれ５０″〜１００″となるように、前記ＧａＡｓ基板上に前記発光層をエピタキシャル成長することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の化合物半導体基板の製造方法。

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