特許 7402139 半導体発光装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-12

(45)【発行日】2023-12-20

(54)【発明の名称】半導体発光装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/30 20100101AFI20231213BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20231213BHJP

【ＦＩ】

H01L33/30

H01L21/205

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020153978

(22)【出願日】2020-09-14

(65)【公開番号】P2022047926

(43)【公開日】2022-03-25

【審査請求日】2022-06-23

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110004026

【氏名又は名称】弁理士法人ｉＸ

(72)【発明者】

【氏名】菅原 秀人

(72)【発明者】

【氏名】鎌倉 孝信

【審査官】東松 修太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－１６７０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３３５００７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－２８１５５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－１６０６６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０５４９５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／６４

Ｈ０１Ｓ ５／００－ ５／５０

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

組成式Ａｌ_ＸＧａ_１－ＸＡｓ（０＜Ｘ＜１）で表される化合物半導体を含むｎ形の第１半導体層と、
組成式Ａｌ_ＹＧａ_１－ＹＡｓ（０＜Ｙ＜１）で表される化合物半導体を含むｐ形の第２半導体層と、
前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、
を備え、
前記第１半導体層は、ｎ形の第１不純物を含み、前記第２半導体層は、ｐ形の第２不純物を含み、
前記第１半導体層および前記第２半導体層は、それぞれ、炭素および酸素をさらに含み、
前記第１半導体層の炭素濃度は、前記第１半導体層の前記第１不純物の濃度よりも低く、
前記第２半導体層の炭素濃度は、前記第１半導体層の前記炭素濃度と略同一であり、
前記第２半導体層の前記第２不純物の濃度は、前記第２半導体層の前記炭素濃度よりも低く、
前記第１半導体層の前記炭素濃度は、前記第１半導体層の前記酸素の濃度よりも高く、
前記第２半導体層の前記炭素濃度は、前記第２半導体層の前記酸素の濃度よりも高い半導体発光装置。

【請求項2】

前記第２半導体層の前記炭素濃度は、前記第１半導体層の前記炭素濃度よりも高く、
前記第２半導体層の前記酸素の濃度は、前記第１半導体層の前記酸素の濃度よりも高い請求項１記載の半導体発光装置。

【請求項3】

前記第１半導体層の前記炭素濃度及び前記第２半導体層の前記炭素濃度は、いずれも３．０×１０^１８ｃｍ^－３以下である請求項１または２に記載の半導体発光装置。」

【請求項4】

前記第１不純物は、シリコン（Ｓｉ）もしくはゲルマニウム（Ｇｅ）である請求項１～３のいずれか１つに記載の半導体発光装置。

【請求項5】

前記第２不純物は、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）のいずれかである請求項１～４のいずれか１つに記載の半導体発光装置。

【請求項6】

前記発光層は、組成式Ｉｎ_ＺＧａ_１－ＺＡｓ（０＜Ｚ＜１）で表される化合物半導体を含む請求項１～５のいずれか１つに記載の半導体発光装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

実施形態は、半導体発光装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＡｌＧａＡｓ系混晶半導体を材料とする半導体発光装置では、発光特性を向上させるために、ＡｌＧａＡｓ中に含有される酸素（Ｏ）および炭素（Ｃ）を低減することが望ましいとされている。例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）を用いてＡｌＧａＡｓ系混晶を成長する場合、ＡｌＧａＡｓ中に取り込まれる酸素および炭素の量が少なくなる成長条件を選択する。しかしながら、半導体発光装置は、複数の組成の異なる半導体層を含み、各半導体層の成長条件は、結晶の品質向上および製造コストの低減の観点から見て、必ずしもＡｌＧａＡｓ中に取り込まれる酸素および炭素を少なくする条件に適合する訳ではない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００２－３３５００７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

実施形態は、発光特性を向上させ、低コストで製造できる半導体発光装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態に係る半導体発光装置は、組成式Ａｌ_ＸＧａ_１－ＸＡｓ（０＜Ｘ＜１）で表される化合物半導体を含むｎ形の第１半導体層と、組成式Ａｌ_ＹＧａ_１－ＹＡｓ（０＜Ｙ＜１）で表される化合物半導体を含むｐ形の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記第２半導体層との間に設けられた発光層と、を備える。前記第１半導体層は、ｎ形の第１不純物を含み、前記第２半導体層は、ｐ形の第２不純物を含む。前記第１半導体層および前記第２半導体層は、それぞれ、炭素および酸素をさらに含み、前記第１半導体層の炭素濃度は、前記第１半導体層の前記第１不純物の濃度よりも低い。前記第２半導体層の炭素濃度は、前記第１半導体層の前記炭素濃度と略同一であり、前記第２半導体層の前記第２不純物の濃度は、前記第２半導体層の前記炭素濃度よりも低い。前記第１半導体層の前記炭素濃度は、前記第１半導体層の前記酸素の濃度よりも高い。前記第２半導体層の前記炭素濃度は、前記第２半導体層の前記酸素の濃度よりも高い。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】第１実施形態に係る半導体発光装置の模式断面図である。

【図2】図１に示す半導体層中の炭素および酸素の濃度プロファイルである。

【図3】ＡｌＧａＡｓ層における不純物濃度の成長温度依存性を示すグラフである。

【図4】第２実施形態に係る半導体発光装置の半導体層における炭素および酸素の濃度プロファイルである。

【図5】第３実施形態に係る半導体発光装置を示す模式断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。図面中の同一部分には、同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。

【0008】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体発光装置１の模式断面図である。半導体発光装置１は、例えば、発光ダイオードである。なお、図１では、ｎ側電極およびｐ側電極を省略している。

【0009】

図１に示すように、半導体発光装置１は、ｎ形の第１半導体層（以下、ｎ形クラッド層１０２）と、発光層１０３と、ｐ形の第２半導体層（以下、ｐ形クラッド層１０４）と、を備える。発光層１０３は、ｎ形クラッド層１０２とｐ形クラッド層１０４との間に設けられる。

【0010】

ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４は、組成式Ａｌ_ＸＧａ_１－ＸＡｓ（０＜Ｘ＜１）で表される化合物半導体（以下、ＡｌＧａＡｓ）を含む。発光層１０３は、Ｉｎ_ＺＧａ_１－ＺＡｓ（０＜Ｚ＜１）で表される化合物半導体（以下、ＩｎＧａＡｓ）を含む。

【0011】

ｎ形クラッド層１０２、発光層１０３およびｐ形クラッド層１０４は、図示しない半導体基板、例えば、ＧａＡｓを含む化合物半導体基板（以下ＧａＡｓ基板）上に、順に積層される。

【0012】

ＧａＡｓ基板とｎ形クラッド層１０２との間には、ｎ形バッファ層１０１が設けられる。ｎ形バッファ層１０１は、ＧａＡｓを含む。さらに、ｐ形クラッド層１０４上に、ｐ形コンタクト層１０５が設けられる。

【0013】

ｎ形バッファ層１０１およびｎ形クラッド層１０２は、ｎ形不純物、例えば、シリコン（Ｓｉ）またはゲルマニウム（Ｇｅ）を含む。ｐ形クラッド層１０４およびｐ形コンタクト層１０５は、ｐ形不純物、例えば、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）のいずれかを含む。

【0014】

図示しないｐ側電極およびｎ側電極の間に順方向電圧が印加された時、半導体発光装置１は、ｎ形クラッド層１０２から発光層１０３に注入される電子と、ｐ形クラッド層１０４から発光層１０３に注入される正孔と、の再結合により光を放射する。

【0015】

図１に示す各半導体層は、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いて、図示しないＧａＡｓ基板上に形成される。ＭＯＣＶＤでは、III族元素を含む有機金属原料（以下、III族原料）と、Ｖ族元素を含む水素化物原料（Ｖ族原料）と、を用いる。III族原料は、例えば、トリメチルガリウム：（ＣＨ_３）_３Ｇａ（以下、ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム：（ＣＨ_３）_３Ａｌ（以下、ＴＭＡ）である。Ｖ族原料は、例えば、アルシン（ＡｓＨ_３）である。

【0016】

ＭＯＣＶＤ法を用いて化合物半導体結晶を成長する過程においては、有機金属から結晶内への炭素（Ｃ）の取り込みが起こることが知られている。例えば、原料ガスとして供給されるＴＭＧが熱分解を起こしてＣＨ_３が発生し、そのほとんどはＶ族原料の熱分解によるＨと結びつくことで安定なメタン（ＣＨ_４）を形成し、成長結晶外に排除される。しかしながら、Ｇａと水素（Ｈ）との結合が切れずに共に結晶内に取り込まれるメチル基（ＣＨ_３）も含まれる。これが残留不純物となって、結晶中のＣ濃度を決めることになる。このように、成長結晶内へのＣの取り込みにはIII族原料の量、Ｖ族原料の量および反応時の熱量などが関係する。

【0017】

例えば、ＡｌＧａＡｓ系混晶中のＣ濃度は、III族原料の量（成長速度）、Ｖ族原料の量（III族原料の量との関係においてＶ／III比で表されるＭＯＣＶＤ法の基本条件の一つ）、成長温度、Ａｌ混晶比（結晶中のＡｌ量）、基板面方位（成長する基板結晶）などのパラメータに依存する。例えば、Van Deelen, 他、Parameter study of intrinsic carbon doping of AlXGa1-XAs by MOCVD. Journal of Crystal Growth, 271 (3-4), pp. 376-384. (2004)）を参照。

【0018】

炭素（Ｃ）は、III‐Ｖ族化合物半導体におけるアクセプタとなり得る不純物である。例えば、結晶中の炭素濃度を極力下げることにより、意図的ドーピングされる他の不純物による導電性制御が可能となる。このため、上記の各パラメータは、通常、Ｃ濃度が低くなるように設定される。

【0019】

さらに、上記の原料や本原料を、プロセス加工点に供給するためのキャリアガス中には、その精製過程では除去しきれない微量の酸素（Ｏ）が含まれている。このため、ＭＯＣＶＤ成長では、成長結晶内への酸素（Ｏ）取り込みも問題となる。特に、酸素（Ｏ）との結合が強いアルミニウム（Ａｌ）を含むＡｌＧａＡｓ系混晶では取り込みが多くなる。したがって、成長条件の選択により、酸素（Ｏ）の取り込みを抑制する手法もとられる。

【0020】

しかしながら、半導体発光装置の生産性の観点から見ると、Ｃ濃度およびＯ濃度を下げるように上記パラメータを選択することが望ましい訳ではない。例えば、ＭＯＣＶＤ法では、III族原料に対してＶ族原料を多く供給する非平衡状態における成長を特徴としている。このため、結晶に取り込まれるＶ族元素に対して、結晶成長に寄与しないＶ族原料も存在し、原料効率が低くなる。そこで、生産性の観点からは、Ｖ族原料の無効率を減らすために、Ｖ族原料の供給量を減らすこと、つまりＶ／III比を低くすることが求められる。その結果、メタン（ＣＨ_４）として排出される炭素が減少し、結晶内のＣ濃度が高くなってしまう。

【0021】

また、半導体発光装置のクラッド層として用いられるＡｌ_ＸＧａ_１－ＸＡｓ混晶は、発光層のキャリア閉じ込めを有効にするために、バンドギャップを大きくすること、つまり、Ａｌの組成比Ｘを大きくすることが求められる。Ａｌ原料のＴＭＡでは、ＡｌとＣＨ_３との結合が比較的強い。また、Ａｌと酸素（Ｏ）との結合が強い。このため、Ａｌは、これら不純物元素を結晶内に多く引き込んでしまう性質を持っている。

【0022】

さらに、発光層にＩｎＧａＡｓ系混晶を用いる場合には、その成長温度の適正値はＡｌＧａＡｓ混晶のそれよりも低い。例えば、発光層およびクラッド層の成長を連続的に実施する場合、発光特性を左右する活性層に適した条件を選択する。このため、ＡｌＧａＡｓ混晶の成長温度は、その適正値よりも低くなってしまう。これも、結晶中の炭素（Ｃ）および酸素（Ｏ）の濃度を高くする原因となる。このように、ＡｌＧａＡｓ系混晶中への炭素（Ｃ）および酸素（Ｏ）の取り込みは、半導体発光装置の生産性や構造設計の観点と、各半導体層における導電性の制御やデバイス特性の観点と、の間において背反事項であり、適宜バランスをとって設計されるべきものとされていた。

【0023】

これに対し、本願発明者による鋭意実験によれば、１）炭素（Ｃ）は、結晶内のＶ族サイトに位置し、比較的蒸気圧が高いＶ族の空孔を埋めること、２）酸素（Ｏ）が存在することにより形成される深い準位のドナーを補償すること、３）酸素ＯもＶ族サイトに位置するため、炭素（Ｃ）の存在が、酸素（Ｏ）の取り込みを抑制し、結晶全体の原子配列の緻密性を向上させ、導電性の制御においても有益であることがわかった。すなわち、結晶中の炭素（Ｃ）を酸素（Ｏ）よりも高濃度とすることにより、ＡｌＧａＡｓ混晶の結晶品質を高くできることがわかった。

【0024】

実施形態に係る半導体発光装置１は、ＡｌＧａＡｓ系混晶を含むｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４を有し、その製造過程において、ＡｌＧａＡｓ層の結晶品質を向上するために、酸素（Ｏ）および炭素（Ｃ）が結晶内に取り込まれる結晶成長条件を採用する。これにより、半導体発光装置１では、炭素（Ｃ）を高濃度に含有するｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４を有しながらも、発光特性および信頼性を向上させることができる。

【0025】

図１に示すｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４は、例えば、Ａｌ混晶比０．５（Ｘ＝０．５）を有するＡｌＧａＡｓを含む。また、ｎ形クラッド層１０２は、ｎ形不純物としてシリコン（Ｓｉ）を含み、ｐ形クラッド層１０４は、ｐ形不純物として亜鉛（Ｚｎ）を含む。これらの不純物は、ＭＯＣＶＤによる結晶成長過程において、導電制御のためにドーピングされる。

【0026】

ＭＯＣＶＤの成長パラメータは以下の通りである。
成長温度：７２０℃
成長速度：３μｍ／ｈ
Ｖ／III比：２０
ここで、発光層１０３と、各クラッド層と、の間の界面の急峻性を保つために、ｎ形クラッド層１０２、発光層１０３およびｐ形クラッド層１０４は、各層間における温度変更などによる成長中断を伴うことなく、連続的に成長される。

【0027】

図２（ａ）および（ｂ）は、図１に示す半導体層中の炭素および酸素の濃度プロファイルである。図２（ａ）および（ｂ）は、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectroscopy）分析による炭素濃度プロファイルおよび酸素濃度プロファイルをそれぞれ示している。横軸は、ｐ形コンタクト層１０５の表面からの深さ（μｍ）であり、縦軸は、炭素および酸素濃度（ｃｍ^－３）である。

【0028】

図２（ａ）に示すように、ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４の炭素濃度は、共に、７×１０^１７ｃｍ^－３である。すなわち、ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４の炭素濃度は、略同一である。
図２（ｂ）に示すように、ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４の酸素濃度は、共に１×１０^１６ｃｍ^－３である。ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４の酸素濃度も略同一である。

【0029】

ここで、「略同一」とは、例えば、濃度プロファイルの測定の誤差範囲で、各元素の濃度が重なり合うことを言う。例えば、ＳＩＭＳ分析による濃度は、標準偏差１０%程度の相対誤差を含むことが知られている。

【0030】

このように、実施形態に係る結晶成長条件では、ＡｌＧａＡｓ中に炭素（Ｃ）および酸素（Ｏ）が共に含有され、その濃度はＣが優位に高いことがわかる。これにより、Ｖ族空孔対して、炭素（Ｃ）および酸素（Ｏ）が高い比率で配置されていること、および、酸素（Ｏ）の深い準位ドナーを炭素（Ｃ）のアクセプタが補償していることが推測される。

【0031】

ｎ形クラッド層１０２の導電性を制御するために、炭素（Ｃ）および酸素（Ｏ）の不純物濃度に対し、濃度２．３×１０^１８ｃｍ^－３のシリコン（Ｓｉ）がドーピングされる。また、ｐ形クラッド層１０４の導電性制御のために、濃度３．０×１０^１７ｃｍ^－３の亜鉛（Ｚｎ）がドーピングされる。ｎ形クラッド層１０２では、シリコン濃度を炭素濃度よりも高く設定することにより、意図的にドーピングされた不純物により導電性を制御する。

【0032】

図３は、ＡｌＧａＡｓの不純物濃度の成長温度依存性を示すグラフである。図３には、ｎ形クラッド層１０２における不純物濃度、実効ドナー濃度の成長温度依存性を示している。横軸は、成長温度Ｔｇ（℃）であり、縦軸は、濃度（ｃｍ^－３）である。なお、シリコン（Ｓｉ）原料の供給量は一定である。また、結晶中のシリコン原子および炭素原子の全てがドナーおよびアクセプタとして働く訳ではないことに留意すべきである。

【0033】

図３に示すように、成長温度Ｔｇが高くなると、シリコン濃度は上昇し、炭素濃度は低下する。結晶中の実効ドナー濃度は、シリコンのドナー濃度と、炭素のアクセプタ濃度と、の関係で決まる。例えば、成長温度Ｔｇ＝７２０℃では、シリコン濃度は２．３×１０^１８ｃｍ^－３であり、炭素濃度は７．０×１０^１７ｃｍ^－３である。シリコン濃度の方が炭素濃度よりも高いことから、この時の実効ドナー濃度は、シリコン濃度優位であり、１．６×１０^１８ｃｍ^－３のｎ形となる。また、成長温度Ｔｇ＝６８０℃では、炭素濃度は２．０×１０^１８ｃｍ^－３であり、シリコン濃度よりも高くなる。このため、アクセプタが優位となり、結晶の導電性はｐ形に逆転する。このように、成長温度Ｔｇに依存する炭素濃度に対して、結晶が所望の導電性を有するように、シリコンを意図的にドーピングする。

【0034】

実施形態に係る半導体層の構造が従来と異なる点は、ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４が酸素（Ｏ）と炭素（Ｃ）を含有し、炭素濃度が比較的高く、且つｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４の中において、略同一の濃度である点にある。すなわち、上述したように、結晶内の炭素濃度を比較的高いレベルにすることにより、ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４のＶ族空孔を埋めることが可能となり、且つ、酸素濃度を抑制することが可能となり、結晶品質を向上させることができる。

【0035】

なお、ＭＯＣＶＤを用いた結晶成長は、結晶成長室における真空度を一定のレベル以下の高真空とし、原料ガスの純度を一定レベル以上の高純度とすることにより、結晶中への酸素の取り込みを抑制することを前提として実施される。本実施形態によれば、そのような条件下においても結晶中に取り込まれる酸素濃度を、結晶成長条件により最適化することができる。

【0036】

実施形態に係る半導体発光装置１では、例えば、Ｖ族空孔を低減することができ、酸素原子により生じる深い準位を低減することができる。これにより、深い準位を介した非発光再結合を抑制し、発光特性を向上させることができる。さらに、Ｖ族空孔を抑制することにより、ｎ形クラッド層１０２のシリコン、および、ｐ形クラッド層１０４の亜鉛の発光層１０３への拡散を防ぐことができる。これにより、両クラッド層と発光層との界面の急峻性を確保し、優れたデバイス特性を引き出すことも可能となる。

【0037】

本実施形態に係る格子不整合系ヘテロ構造（ＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ）において、ＡｌＧａＡｓ中の酸素の存在は、結晶硬度にも影響を与える。例えば、酸素濃度を低減することにより、結晶硬度を低下させ、結晶歪に対する耐性を向上させることができる。また、ＡｌＧａＡｓ中の酸素濃度の抑制は発光層１０３に加わる歪の抑制にもつながり、優れたデバイス特性を与える一因ともなる。

【0038】

（第２実施形態）
図４（ａ）および（ｂ）は、第２実施形態に係る半導体発光装置の半導体層における炭素および酸素の濃度プロファイルである。図４（ａ）および（ｂ）は、ＳＩＭＳ分析による炭素濃度プロファイルおよび酸素濃度プロファイルをそれぞれ示している。横軸は、ｐ形コンタクト層１０５の表面からの深さ（μｍ）であり、縦軸は、炭素および酸素濃度（ｃｍ^－３）である。

【0039】

この例では、成長温度Ｔｇを６８０℃として、ＭＯＣＶＤにより結晶成長する。成長温度Ｔｇを７２０℃から６８０℃に下げることは、発光層１０３のＩｎＧａＡｓの結晶性を向上させる上で優位である。これにより、発光特性を向上させることが可能となる。

【0040】

図４（ａ）および（ｂ）に示すように、成長温度Ｔｇを低下させたことにより、炭素濃度は、２．０×１０^１８ｃｍ^－３となり、酸素濃度は、３．５×１０^１６ｃｍ^－３となる。炭素濃度および酸素濃度は、共に上昇している。これは、温度Ｔｇの低下により、第１実施形態に比べて成長III族原料のＣＨ_３の乖離が進まなくなり、熱分解温度が比較的高いＴＭＡからの炭素（Ｃ）の取り込みが多くなったこと、また、結晶表面に付着した酸素の脱離が抑制されためと考えられる。これに伴い、意図的にドーピングされる不純物シリコン（Ｓｉ）および亜鉛（Ｚｎ）の濃度は、それぞれ、３．０×１０^１８ｃｍ^－３および７．０×１０^１７ｃｍ^－３である。ｎ形クラッド層１０２では、その導電性を制御するためにシリコンのドーピング量を増している。

【0041】

図４（ａ）に示すように、炭素濃度は、ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４において、２．０×１０^１８ｃｍ^－３程度である。例えば、発光層１０３の近傍において、ｎ形クラッド層１０２の炭素濃度は、ｐ形クラッド層１０４の炭素濃度と略同一である。この例でも、炭素原子はＶ族空孔を埋めて結晶全体として有益に働いている。本実施形態に係る半導体発光装置は、半導体発光装置１と同等の特性を示した。

【0042】

例えば、ｐ形クラッド層１０４のｐ形不純物として拡散係数の大きい亜鉛（Ｚｎ）を意図的にドーピングする場合、Ｚｎ濃度が１．０×１０^１８ｃｍ^－３を超えると、その拡散が顕著になる。これにより、ｐ形クラッド層１０４と発光層１０３との界面や、発光層１０３のＩｎＧａＡｓの結晶性を劣化させ、半導体発光装置の特性を劣化させる。そこで、所望のアクセプタ濃度を得るために、成長温度Ｔｇをさらに下げて、炭素濃度をより高濃度にするとしても、成長温度Ｔｇに起因した結晶性の劣化を伴うことになるので、成長温度Ｔｇにも下限がある。このため、結晶中の炭素濃度には、成長温度Ｔｇの下限に対応した上限値が存在し、例えば、３．０×１０^１８ｃｍ^－３以下とすることが好ましい。これにより、所望のアクセプタ濃度を得つつ、結晶性の劣化を抑制できる最適な条件を見出すことができる。

【0043】

なお、実施形態は上記の例に限定されるものではなく、例えば、炭素濃度は、ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４において略同一であり、３．０×１０^１８ｃｍ^－３以下であればよい。

【0044】

また、炭素濃度に影響を与える各成長パラメータは、さまざまに変形して適用されてもよい。例えば、ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４の成長条件を適宜変更することも可能である。

【0045】

例えば、ｎ形クラッド層１０２の成長温度Ｔｇをｐ形クラッド層１０４の成長温度Ｔｇよりも高くすることにより、ｎ形クラッド層１０２の結晶性を良くすることができる。これにより、ｎ形クラッド層１０２の上に成長される発光層１０３の結晶性も良くなる。この場合、ｐ形クラッド層１０４の炭素濃度および酸素濃度は、ｎ形クラッド層１０２の炭素濃度および酸素濃度よりも高くなる。

【0046】

ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４には、それぞれの所望のキャリア濃度を得るために、ｎ形ドーパントであるケイ素（Ｓｉ）およびｐ形ドーパントである亜鉛（Ｚｎ）がドーピングされる。ｎ形クラッド層１０２におけるＳｉのドーピングレベルおよびｐ形クラッド層１０４におけるＺｎのドーピングレベルは、炭素濃度および酸素濃度よりも高く設定されることが一般的である。このため、ｐ形クラッド層１０４にドーピングされたＺｎが発光層１０３へ拡散し、発光特性を劣化させる場合がある。これに対し、ｐクラッド層１０４の炭素濃度をｎ形クラッド層１０２の炭素濃度よりも高くすることにより、発光層１０３へのＺｎの拡散を抑制することが好ましい。

【0047】

逆に、ｐ形クラッド層１０４の成長温度Ｔｇをｎ形クラッド層１０２の成長温度Ｔｇよりも高くすることも可能である。この場合、ｎ形クラッド層１０２の炭素濃度および酸素濃度は、ｐ形クラッド層１０４の炭素濃度および酸素濃度よりも高くなる。このような濃度制御は、半導体発光素子の駆動電流密度が低く、Ｚｎ拡散が生じ難い場合に有効である。

【0048】

上記のいずれの場合においても、ｎ形クラッド層１０２およびｐ形クラッド層１０４のそれぞれにおける炭素濃度と酸素濃度の相対比率が同じであることが好ましい。

【0049】

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態に係る半導体発光装置２を示す模式断面図である。半導体発光装置２は、第１および第２実施形態に記載した半導体層（１０１～１０５）を備える。

【0050】

半導体発光装置２は、ｎ形ＧａＡｓ基板５０１と、ｎ側電極５０２と、ｐ側電極５０３と、をさらに備える。

【0051】

ｎ形ＧａＡｓ基板５０１は、例えば、ＭＯＣＶＤを用いて、ｎ形バッファ層１０１、ｎ形クラッド層１０２、発光層１０３、ｐ形クラッド層１０４およびｐ形コンタクト層１０５を順にエピタキシャル成長するために用いられる。

【0052】

ｎ側電極５０２およびｐ側電極５０３は、その間に順バイアスを印加し、駆動電流を流すことにより、半導体発光装置２を発光させるために用いられる。

【0053】

ｐ側電極５０３は、ｐ形コンタクト層１０５の全面に形成される。このため、駆動電流は、ｐ型電極５０３からｐ形コンタクト層１０５の全面に均一に注入される。したがって、発光層１０３における発光は均一になる。

【0054】

発光層１０３は、例えば、組成式Ｉｎ_０．２Ｇａ_０．８Ａｓで表される化合物半導体混晶を含み、例えば、９５０ｎｍの中心波長を有する光を放射する。発光層１０３から放射される光は、その下面および上面の両方から放射される。下面から放射される光は、ｎ形ＧａＡｓ基板５０１を透して外部に取り出される。一方、上面から放射される光は、ｐ形コンタクト層１０５とｐ側電極５０３との界面において反射され、下方に向きを変えて伝播し、ｎ形ＧａＡｓ基板５０１を透して外部に取り出される。つまり、半導体発光装置２は、下面側から光を取り出す裏面発光型デバイスである。なお、図５中に示す矢印は、発光層１０３から放射される光の伝播経路を表している。

【0055】

なお、ｎ形ＧａＡｓ基板５０１、ｎ形バッファ層１０１およびｐ形コンタクト層１０５にドーピングされる不純物の種類および濃度は、以下の通りである。
ｎ形ＧａＡｓ基板５０１：シリコン（Ｓｉ）、１．０×１０^１８ｃｍ^－３
ｎ形ＧａＡｓバッファ層１０１：シリコン（Ｓｉ）、８．０×１０^１７ｃｍ^－３
ｐ形ＧａＡｓコンタクト層１０５：亜鉛（Ｚｎ）、２．０×１０^１８ｃｍ^－３
なお、これらの３層における炭素および酸素濃度は、例えば、ＳＩＭＳ分析における検出限界以下である。すなわち、実施形態に係る半導体装置１および２では、炭素（Ｃ）および酸素（Ｏ）は、比較的Ａｌ組成の高い発光領域に存在する。

【0056】

第１実施形態において説明したように、ｎ形ＡｌＧａＡｓクラッド層１０２のＳｉ濃度は、２．３×１０^１８ｃｍ^－３であり、他層よりも高い。これは、ｎ形ＡｌＧａＡｓクラッド層１０２に含まれる炭素（Ｃ）の濃度が比較的高いためである。

【0057】

実施形態に係る半導体発光装置２を、例えば、受光素子とともにフォトカプラに搭載する場合には、ｐ側電極５０３およびｎ側電極５０２のそれぞれに、ボンディングワイヤー（図示しない）が接続される。また、半導体発光装置２は、例えば、樹脂部材（図示しない）によって覆われる。

【0058】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0059】

１、２…半導体発光装置、 １０１…ｎ形バッファ層、 １０２…ｎ形クラッド層、 １０３…発光層、 １０４…ｐ形クラッド層、 １０５…ｐ形コンタクト層、 ５０１…ｎ形ＧａＡｓ基板、 ５０２…ｎ側電極、 ５０３…ｐ側電極、 Ｔｇ…成長温度

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】