特許 7478286 発光ダイオードおよびその製造方法

(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】2024-04-23

(45)【発行日】2024-05-02

(54)【発明の名称】発光ダイオードおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 33/06 20100101AFI20240424BHJP

   H01L 33/12 20100101ALI20240424BHJP

   H01L 33/30 20100101ALI20240424BHJP

【ＦＩ】

H01L33/06

H01L33/12

H01L33/30

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2023084362

(22)【出願日】2023-05-23

(62)【分割の表示】P 2019151768の分割

【原出願日】2019-08-22

(65)【公開番号】P2023106531

(43)【公開日】2023-08-01

【審査請求日】2023-05-23

(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

【審査官】佐竹 政彦

(56)【参考文献】

【文献】特開平０５－０２９７１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２２６０６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２３５７３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－０３１９０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－１５２０５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－１７００２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２５０８０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－２７０７８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－０４９６８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１６－００１３５５２（ＫＲ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１３２８９０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３３／００－３３／６４

Ｈ０１Ｓ ５／００－５／５０

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴＣｈｉｎａ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に交互に積層される障壁層と井戸層とを含む多重量子井戸層であって、前記障壁層は、組成式Ａｌ_1-ｘＧａ_ｘＡｓ_1-ｙＰ_ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ＜１）で表されるＡｌＧａＡｓＰを含み、前記井戸層は、組成式Ｉｎ_ｚＧａ_1-ｚＡｓ（０＜ｚ＜１）で表されるＩｎＧａＡｓを含む、多重量子井戸層と、
を備え、
前記ＡｌＧａＡｓＰの格子定数は、前記ＧａＡｓ基板の格子定数よりも小さく、
前記ＩｎＧａＡｓの格子定数は、前記ＧａＡｓ基板の格子定数よりも大きく、
前記多重量子井戸層は、それぞれ、複数の前記障壁層と、複数の前記井戸層と、を含む、第１領域および第２領域を有し、前記第１領域は、前記ＧａＡｓ基板と前記第２領域との間に位置し、
前記複数の井戸層は、同じ組成「ｚ」を有するＩｎＧａＡｓを含み、且つ、同じ層厚を有し、
前記第２領域の前記障壁層におけるＡｌＧａＡｓＰのＰ組成「ｙ」は、前記第１領域の前記障壁層におけるＡｌＧａＡｓＰのＰ組成「ｙ」よりも大きい、発光ダイオード。

【請求項2】

前記第１領域は、第１障壁層と、前記第１障壁層上に設けられる第２障壁層と、を含み、
前記第２領域は、第３障壁層と、前記第３障壁層上に設けられる第４障壁層と、を含み、
前記第２障壁層のＡｌＧａＡｓＰにおけるＰ組成「ｙ」は、前記第１障壁層のＡｌＧａＡｓＰにおけるＰ組成「ｙ」よりも大きく、
前記第４障壁層のＡｌＧａＡｓＰにおけるＰ組成「ｙ」は、前記第３障壁層のＡｌＧａＡｓＰにおけるＰ組成「ｙ」よりも大きい、請求項１記載の発光ダイオード。

【請求項3】

前記第１領域は、第１障壁層と、前記第１障壁層上に設けられる第２障壁層と、を含み、
前記第２領域は、第３障壁層と、前記第３障壁層上に設けられる第４障壁層と、を含み、
前記第２障壁層のＡｌＧａＡｓＰにおけるＰ組成「ｙ」は、前記第１障壁層のＡｌＧａＡｓＰにおけるＰ組成「ｙ」と同じであり、
前記第４障壁層のＡｌＧａＡｓＰにおけるＰ組成「ｙ」は、前記第３障壁層のＡｌＧａＡｓＰにおけるＰ組成「ｙ」よりも大きい、請求項１記載の発光ダイオード。

【請求項4】

前記第１領域は、第１障壁層と、前記第１障壁層上に設けられる第２障壁層と、を含み、
前記第２領域は、第３障壁層と、前記第３障壁層上に設けられる第４障壁層と、を含み、
前記第２障壁層のＡｌＧａＡｓＰにおけるＰ組成「ｙ」は、前記第１障壁層のＡｌＧａＡｓＰにおけるＰ組成「ｙ」と同じであり、
前記第４障壁層のＡｌＧａＡｓＰにおけるＰ組成「ｙ」は、前記第３障壁層のＡｌＧａＡｓＰにおけるＰ組成「ｙ」と同じである、請求項１記載の発光ダイオード。

【請求項5】

ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に交互に積層される障壁層と井戸層とを含む多重量子井戸層であって、前記障壁層は、組成式Ａｌ_1-ｘＧａ_ｘＡｓ_1-ｙＰ_ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ＜１）で表されるＡｌＧａＡｓＰを含み、前記井戸層は、組成式Ｉｎ_ｚＧａ_1-ｚＡｓ（０＜ｚ＜１）で表されるＩｎＧａＡｓを含む、多重量子井戸層と、
を備え、
前記ＡｌＧａＡｓＰの格子定数は、前記ＧａＡｓ基板の格子定数よりも小さく、
前記ＩｎＧａＡｓの格子定数は、前記ＧａＡｓ基板の格子定数よりも大きく、
前記多重量子井戸層は、それぞれ、複数の前記障壁層と、複数の前記井戸層と、含む、第１領域および第２領域を有し、前記第１領域は、前記ＧａＡｓ基板と前記第２領域との間に
位置し、
前記複数の井戸層は、同じ組成「ｚ」を有するＩｎＧａＡｓを含み、且つ、同じ層厚を有し、
前記複数の障壁層は、同じ組成「ｙ」を有するＡｌＧａＡｓＰを含み、
前記第１領域から前記第２領域に向かう第１方向において、前記第２領域における前記障壁層の層厚は、前記第１領域における前記障壁層の層厚よりも大きい、発光ダイオード。

【請求項6】

前記第１領域は、第１障壁層と、前記第１障壁層上に設けられる第２障壁層と、を含み、
前記第２領域は、第３障壁層と、前記第３障壁層上に設けられる第４障壁層と、を含み、
前記第２障壁層の前記第１方向の層厚は、前記第１障壁層の前記第１方向の層厚よりも大きく、前記第４障壁層の前記第１方向の層厚は、前記第３障壁層の前記第１方向の層厚よりも大きい、請求項５記載の発光ダイオード。

【請求項7】

ＧａＡｓ基板と、
前記ＧａＡｓ基板上に交互に積層される障壁層と井戸層とを含む多重量子井戸層であって、前記障壁層は、組成式Ａｌ_1-ｘＧａ_ｘＡｓ_1-ｙＰ_ｙ（０＜ｘ≦１、０．０５≦ｙ≦０．０５８）で表されるＡｌＧａＡｓＰを含み、前記井戸層は、組成式Ｉｎ_ｚＧａ_1-ｚＡｓ（０＜ｚ≦０．２）で表されるＩｎＧａＡｓを含む、多重量子井戸層と、
を備え、
前記ＡｌＧａＡｓＰの格子定数は、前記ＧａＡｓ基板の格子定数よりも小さく、
前記ＩｎＧａＡｓの格子定数は、前記ＧａＡｓ基板の格子定数よりも大きく、
前記多重量子井戸層は、それぞれ、複数の前記障壁層と、複数の前記井戸層と、を含む、第１領域および第２領域を有し、前記第１領域は、前記ＧａＡｓ基板と前記第２領域との間に位置し、
前記複数の井戸層は、同じ組成「ｚ」を有するＩｎＧａＡｓを含み、且つ、同じ層厚を有し、
前記第２領域の前記障壁層におけるＡｌＧａＡｓＰのＰ組成「ｙ」は、前記第１領域の前記障壁層におけるＡｌＧａＡｓＰのＰ組成「ｙ」よりも大きく、
前記多重量子井戸層から放射される光の発光スペクトル幅が３０ｎｍ以下である発光ダイオード。

【請求項8】

前記ＧａＡｓ基板と、前記多重量子井戸層と、の間に設けられた下地層をさらに備え、
前記下地層は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、ＰおよびＡｓのいずれかを含む化合物半導体を含む、請求項１～６のいずれか１つに記載の発光ダイオード。

【請求項9】

組成式Ａｌ_1-ｘＧａ_ｘＡｓ_1-ｙＰ_ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ＜１）で表されるＡｌＧａＡｓＰを含む障壁層と、組成式Ｉｎ_ｚＧａ_1-ｚＡｓ（０＜ｚ＜１）で表されるＩｎＧａＡｓを含む井戸層と、を含む多重量子井戸層と、
前記多重量子井戸層上に設けられる第２基板と、を有する発光ダイオードの製造方法であって、
ＧａＡｓ基板上に、前記多重量子井戸層の前記障壁層と前記井戸層とを交互に形成する工程と、
前記多重量子井戸層上に前記第２基板を接合する工程と、
前記ＧａＡｓ基板を除去する工程と、
を備え、
前記多重量子井戸層は、それぞれ、複数の前記第１障壁層と複数の前記井戸層とを含む、第１領域および第２領域を有し、前記第２領域は、前記第１領域と前記第２基板との間に位置し、
前記ＡｌＧａＡｓＰの格子定数は、前記ＧａＡｓ基板の格子定数よりも小さく、
前記ＩｎＧａＡｓの格子定数は、前記ＧａＡｓ基板の格子定数よりも大きく、
前記多重量子井戸層中の前記井戸層は、同じ組成「ｚ」を有するＩｎＧａＡｓを含み、且つ、同じ層厚を有し、
前記第２領域の前記障壁層におけるＡｌＧａＡｓＰのＰ組成「ｙ」は、前記第１領域の前記障壁層におけるＡｌＧａＡｓＰのＰ組成「ｙ」よりも大きいか、
または、前記多重量子井戸層中の前記障壁層は、同じ組成「ｙ」を有するＡｌＧａＡｓＰを含み、前記第１領域から前記第２領域に向かう方向において、前記第２領域における前記障壁層の層厚は、前記第１領域における前記障壁層の層厚よりも大きく、
前記第２基板は、Ｓｉ、Ｇｅ、酸化膜、および金属のうちのいずれか１つを含む、発光ダイオードの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、発光ダイオードおよびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＩｎＧａＡｓ井戸層およびＧａＡｓＰ障壁層を含むＭＱＷ（Multi Quantum Well：多重量子井戸)構造を有する半導体発光デバイスにおいて、ＧａＡｓ基板に対する２つの層のそれぞれの格子不整合により結晶歪を補償する構造が用いられる。

【0003】

大電流注入を必要とするパワー発光ダイオードでは、ＭＱＷ積層の層数を増やしてその発光効率を向上させる。

【0004】

しかしながら、ＭＱＷの積層数を単に増やすと新たな歪緩和を生じ易くなり、発光特性の低下や信頼性の低下が起こる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００７－１０３９３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

発光スペクトルの半値幅が狭くかつ長時間動作における信頼性が高められた発光ダイオードおよびその製造方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

実施形態の発光ダイオードは、ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に交互に積層される障壁層と井戸層とを含む多重量子井戸層であって、前記障壁層は、組成式Ａｌ_1-ｘＧａ_ｘＡｓ_1-ｙＰ_ｙ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ＜１）で表されるＡｌＧａＡｓＰを含み、前記井戸層は、組成式Ｉｎ_ｚＧａ_1-ｚＡｓ（０＜ｚ＜１）で表されるＩｎＧａＡｓを含む、多重量子井戸層と、を備える。前記ＡｌＧａＡｓＰの格子定数は、前記ＧａＡｓ基板の格子定数よりも小さく、前記ＩｎＧａＡｓの格子定数は、前記ＧａＡｓ基板の格子定数よりも大きい。前記多重量子井戸層は、それぞれ、複数の前記障壁層と、複数の前記井戸層と、を含む、第１領域および第２領域を有し、前記第１領域は、前記ＧａＡｓ基板と前記第２領域との間に位置する。前記複数の井戸層は、同じ組成「ｚ」を有するＩｎＧａＡｓを含み、且つ、同じ層厚を有し、前記第２領域の前記障壁層におけるＡｌＧａＡｓＰのＰ組成「ｙ」は、前記第１領域の前記障壁層におけるＡｌＧａＡｓＰのＰ組成「ｙ」よりも大きい。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光デバイスの模式断面図、図１（ｂ）は多重量子井戸層の模式断面図、である。

【図2】図２（ａ）は、比較例にかかる半導体発光デバイスの多重量子井戸層の模式断面図、図２（ｂ）はＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓの臨界膜厚のグラフ図、である。

【図3】比較例の多重量子井戸層の断面のＴＥＭ観察写真図である。

【図4】第２の実施形態にかかる半導体発光デバイスの多重量子井戸層の模式断面図である。

【図5】第３の実施形態にかかる半導体発光デバイスの多重量子井戸層の模式断面図である。

【図6】第４の実施形態にかかる半導体発光デバイスの多重量子井戸層の模式断面図である。

【図7】第５の実施形態にかかる半導体発光デバイスの多重量子井戸層の模式断面図である。

【図8】第６の実施形態にかかる半導体発光デバイの多重量子井戸層の模式断面図である。

【図9】第７の実施形態にかかる半導体発光デバイスの多重量子井戸層の模式断面図である。

【図10】第８の実施形態にかかる半導体発光デバイスの模式断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
図１（ａ）は第１の実施形態にかかる半導体発光デバイスの模式断面図、図１（ｂ）は多重量子井戸層拡大模式断面図、である。
半導体発光デバイス１０は、基板１２と、多重量子井戸層４０と、を少なくとも有する。
図１（ａ）に表すように、半導体発光デバイス１０は、ＡｌＧａＡｓクラッド層を含む第１の層１４、ＡｌＧａＡｓクラッド層を含む第２の層１６、上部電極５０、および下部電極６０をさらに有することができる。

【0010】

多重量子井戸層４０は、基板１２上に設けられる。また、図１（ｂ）に表すように、多重量子井戸層４０は、３層以上のＩｎＧａＡｓ井戸層４０１～４１０と、２つのＩｎＧａＡｓ井戸層に挟まれた複数のＧａＡｓ_１－ｙＰ_ｙ障壁層４１１～４１９と、を含み、活性層を構成する。

【0011】

ＩｎＧａＡｓ井戸層４０１～４１０は、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ（たとえば、０＜ｘ≦０．２）のＩｎ混晶比ｘおよび厚さＴ１（たとえば、６ｎｍ）が、たとえばすべて同一であるものとする。他方、障壁層４１１～４１９は、ＧａＡｓＰのV族混晶比が異なる少なくとも２つの領域を含む。図１（ｂ）では、障壁層４１１～４１９は、Ｐ混晶比ｙが結晶成長方向（積層方向）に沿って、たとえば、０．０５から０．０５８に向かって連続的に増大する。すなわち、障壁層４１１～４１９のＰ混晶比ｙは一定ではなく変化する。本図では、障壁層４１１～４１９において、すべてのＰ混晶比が異なっている。なお、ＧａＡｓ_１－ｙＰ_ｙ 障壁層４１１～４１９の厚さは、たとえば、すべて３０ｎｍとする。

【0012】

第１の実施形態にかかる半導体発光デバイス１０は、たとえば、１０００ｎｍ以下の波長の赤外光を放出可能なＬＥＤ（Light Emitting Diode）である。量子井戸層数を多くすると、光出力を増大できる。しかし、この場合、ＩｎＧａＡｓ井戸層内に格子緩和が発生しやすくなる。第１の実施形態では、ＧａＡｓＰ障壁層のＰ混晶比ｙを変化させることにより格子緩和を抑制する。このため、光スペクトルの半値幅が狭くかつ長時間動作における信頼性が高められた半導体発光デバイス（ＬＥＤ：Light Emitting Diodeなど）が提供される。

【0013】

図２（ａ）は、比較例にかかる半導体発光デバイスの多重量子井戸層の模式断面図、図２（ｂ）はＧａＡｓ基板上のＩｎＧａＡｓの臨界膜厚のグラフ図、である。
図２（ａ）に表すように、半導体発光デバイス１１０は、ＡｌＧａＡｓクラッド層を含む第１の層１１４、多重量子井戸層１４０、ＡｌＧａＡｓクラッド層を含む第２の層１１６、を有する。Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓ井戸層１４１は、ｘ＝０．１５かつ厚さ６ｎｍである。また、ＧａＡｓ_１－ｙＰ_ｙ障壁層１６０のｙ＝０．０５かつ厚さ３０ｎｍである。比較例では、ＧａＡｓ基板１１２に対してＩｎＧａＡｓ井戸層１４１の格子定数は大きいが、ＧａＡｓ基板１１２に対してＧａＡｓＰ障壁層１６０の格子定数が小さくなるようにして応力が釣り合う関係とされる。なお、発光波長は約９５０ｎｍなどである。

【0014】

図２（ｂ）の縦軸は臨界膜厚（ｎｍ）、横軸は格子不整合度、である。臨界膜厚にはMatthewsの式を用い、転位は刃状転位を想定して算出されている。格子不整合度は、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ａｓ井戸層の格子がＧａＡｓ基板に格子に弾性変形してコヒーレントで積層していることを仮定し、弾性スティフネス定数を用いて算出した値を用いている。比較例のＩｎＧａＡｓ井戸層１４１～１５０の総膜厚（６ｎｍ×１０層＝６０ｎｍ）は、図中に点ＰＣで表される。比較例の総膜厚６０ｎｍは臨界膜厚を超えている。すなわち、比較例にかかる多重量子井戸層１４０は、逆歪を持つＧａＡｓＰ障壁層１６０の存在により成り立つ構造といえる。

【0015】

図３は、比較例の多重量子井戸層の断面ＴＥＭ観察写真図である。
断面ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope:透過型電子顕微鏡）観察写真図に表す白色ストライプ部分がＩｎＧａＡｓ井戸層１４１～１５０を表し、その両側はＧａＡｓＰ障壁層１６０を表す。結晶成長方向は、下方から上方に向かっており、下から５層目までは上側障壁層との界面はほぼ平坦に保たれている。他方、６層目よりも上方になるほど上側障壁層との界面の平坦性が損われ井戸層厚さにゆらぎが発生している。この界面不均一性は結晶成長が進行するほど（写真図で上方になるほど）増加する。この不均一性はＩｎＧａＡｓ井戸層１４１～１５０の格子緩和（膜厚ゆらぎなど）によるもので、結晶成長が進行するほどＧａＡｓＰ障壁層での歪補償が機能しなくなるためと思われる。

【0016】

素子設計上では格子定数差に起因する応力は釣り合うように構成されるにもかかわらず格子緩和が発生する要因として、たとえば、結晶成長が進行するのに伴ってその積層上面での応力の逃げが基板の反りや形状などにより発生して影響する可能性がある。これらのため、比較例では、発光スペクトルが約４０ｎｍなどと広がるか、または１００００時間動作後の光出力が５％以上低下するなど信頼性低下が生じ易い。

【0017】

これに対して、第１の実施形態によれば、ＩｎＧａＡｓ井戸層４０１～４１０の格子緩和が抑制されるので上側障壁層との界面の平坦性が維持され、その厚さを結晶成長方向に沿って均一に揃えることができる。この結果、３０ｎｍ以下の狭い発光スペクトル幅を得ることが容易となり、１００００時間動作後の光出力の低下を、たとえば、１％以下などと低減できる。

【0018】

図４は、第２の実施形態にかかる半導体発光デバイスの多重量子井戸層の模式断面図である。
ＩｎＧａＡｓ井戸層４０１～４１０は、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓのＩｎ混晶比ｘおよび厚さＴ１が、たとえば、すべて同一であるものとする。他方、障壁層４１１～４１９は、ＧａＡｓ_１－ｙＰ_ｙのＰ混晶比ｙが異なる少なくとも２つの領域を含む。図４では、ＧａＡｓＰ障壁層は、Ｐ混晶比ｙの高い第１領域４１６～４１９がＰ混晶比ｙの低い第２領域４１１～４１５の上方に結晶成長される。ＧａＡｓＰ障壁層の第１領域４１６～４１９は、Ｐ混晶比ｙが結晶成長方向（積層方向）に沿って、たとえば、０．０５１から０．０５４に増大する。すなわち、ＧａＡｓＰ障壁層４１１～４１９のＰ混晶比ｙは一定ではなく変化する。

【0019】

なお、ＧａＡｓＰ障壁層４１１～４１９の厚さは、たとえば、すべて３０ｎｍとする。このようにすると、３０ｎｍ以下の狭い発光スペクトル幅を得ることが容易であり、１００００時間動作後の光出力の低下を、たとえば、１％以下などと低減できる。

【0020】

図５は、第３の実施形態にかかる半導体発光デバイスの多重量子井戸層の模式断面図である。
ＩｎＧａＡｓ井戸層４０１～４１０は、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓのＩｎ混晶比ｘおよび厚さＴ１が、たとえば、すべて同一であるものとする。他方、ＧａＡｓＰ障壁層４１１～４１９は、ＧａＡｓ_１－ｙＰ_ｙのＰ混晶比ｙが異なる少なくとも２つの領域を含む。図５では、ＧａＡｓＰ障壁層は、Ｐ混晶比ｙの高い第１領域４１６～４１９がＰ混晶比ｙの低い第２領域４１１～４１５の上方に結晶成長（積層）される。すなわち、ＧａＡｓＰ障壁層４１６～４１９は、Ｐ混晶比ｙが、たとえば、０．０５５で一定とされる。また、第２領域４１１～４１５は、Ｐ混晶比ｙが、たとえば、０．０５とより低くかつ一定とされる。

【0021】

ＧａＡｓＰ 障壁層４１１～４１９の厚さは、たとえば、すべて３０ｎｍとする。このようにすると、３０ｎｍ以下の狭い発光スペクトル幅を得ることが容易であり、１００００時間動作後の光出力の低下を、たとえば、１％以下などと低減できる。

【0022】

図６は、第４の実施形態にかかる半導体発光デバイスの多重量子井戸層の模式断面図である。
ＩｎＧａＡｓ井戸層４０１～４１０は、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓのＩｎ混晶比ｘおよび厚さＴ１が、たとえば、すべて同一であるものとする。他方、ＧａＡｓＰ障壁層４１１～４１９は、厚さが異なる少なくとも２つの領域を含む。ＧａＡｓＰ障壁層４１１～４１９の厚さは、たとえば、３０．０ｎｍ～３１．６ｎｍまで、たとえば、結晶成長方向（積層方向）に沿って０．２ｎｍずつ連続的に増加する。このようすると、３０ｎｍ以下の狭い発光スペクトル幅を得ることが容易であり、１００００時間動作後の光出力の低下を、たとえば、１％以下などと低減できる。

【0023】

図７は、第５の実施形態にかかる半導体発光デバイスの多重量子井戸層の模式断面図である。
ＩｎＧａＡｓ井戸層４０１～４１０は、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓのＩｎ混晶比ｘおよび厚さＴ１が、たとえば、すべて同一であるものとする。他方、ＧａＡｓＰ障壁層４１１～４１９は、その厚さが結晶成長方向（積層方向）に沿って変化する。図７では、厚さが大きい第３領域４１６～４１９が厚さの小さい第４領域４１１～４１５の上に結晶成長（積層）により設けられる。たとえば、ＧａＡｓＰ障壁層の第４領域４１１～４１５の厚さは、たとえば、３０ｎｍと一定であるが、ＧａＡｓＰ障壁層の第３領域４１６～４１９の厚さが結晶成長方向（積層方向）に沿って、たとえば、３０．２～３０．８ｎｍまで０．２ｎｍずつ連続的に増加する。

【0024】

このようにすると、３０ｎｍ以下の狭い発光スペクトル幅を得ることが容易であり、１００００時間動作後の光出力の低下を、たとえば、１％以下などと低減できる。

【0025】

図８は、第６の実施形態にかかる半導体発光デバイの多重量子井戸層の模式断面図である。
ＩｎＧａＡｓ井戸層４０１～４１０は、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓのＩｎ混晶比ｘおよび厚さＴ１が、たとえば、すべて同一であるものとする。他方、ＧａＡｓＰ障壁層４１１～４１９は、その厚さが結晶成長方向（積層方向）に沿って変化する。図８では、第３領域４１６～４１９が厚さの小さい第４領域４１１～４１５の領域の上に設けられる。たとえば、ＧａＡｓＰ障壁層４１１～４１５の厚さは、たとえば、３０ｎｍと一定であり、ＧａＡｓＰ障壁層４１６～４１９の厚さは、たとえば、３１ｎｍと一定でありかつ障壁層４１１～４１５の厚さよりも大きい。

【0026】

このようにすると、３０ｎｍ以下の狭い発光スペクトル幅を得ることが容易であり、１００００時間動作後の光出力の低下を、たとえば、１％以下などと低減できる。

【0027】

図９は、第７の実施形態にかかる半導体発光デバイスの多重量子井戸層の模式断面図である。
ＩｎＧａＡｓ井戸層４０１～４１０は、Ｉｎ_ｘＧａ_１－ｘＡｓのＩｎ混晶比ｘおよび厚さＴ１が、たとえば、すべて同一であるものとする。他方、障壁層１０１１～１０１９は、Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ_１－ｙＰ_ｙ（０．０５≦ｙ≦０．０５８）からなるものとし、その厚さは、たとえば、すべて３０ｎｍであるとする。障壁層にＡｌを加えたことでバンドギャップが大きくなり、井戸層へのキャリアの閉じ込め効果を高めることができる。但し、障壁高さが増加することでキャリア注入に必要なバイアス電圧も増加する。

【0028】

他方、格子不整合に与える影響は少なく、デバイス特性はＰ混晶比ｙでほぼ決定することになり、歪補償に必要な特性は第１の実施形態の場合と同等となる。

【0029】

Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ_１－ｙＰ_ｙ障壁層１０１１～１０１９は、Ｐ混晶比ｙが異なる少なくとも２つの領域を含む。図９では、Ａｌ_ｚＧａ_１－ｚＡｓ_１－ｙＰ_ｙ障壁層１０１１～１０１９は、Ｐ混晶比ｙが結晶成長方向（積層方向）に沿って、たとえば、０．０５～０．０５８のように増大するように変化する。このようにしても、３０ｎｍ以下の狭い発光スペクトル幅を得ることが容易であり、１００００時間動作後の光出力の低下を、たとえば、１％以下などと低減できる。

【0030】

図１０は、第８の実施形態にかかる半導体発光デバイスの模式断面図である。
第１の実施形態では、ＧａＡｓ基板１２上に、ＡｌＧａＡｓクラッド層を含む第１の層１４、多重量子井戸層４０、ＡｌＧａＡｓクラッド層を含む第２の層１６がこの順序に結晶成長される。第８の実施形態では、別に用意した支持基板１１０１の表面に、第２の層１６の表面をウェーハ状態で貼り付けたのち、結晶成長に用いたＧａＡｓ基板１２を剥離する。支持基板１１０１としては、たとえば、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３以外の酸化膜、および金属のうちのいずれかとすることができる。

【0031】

第８の実施形態によれば、転写により多重量子井戸層の上下が反転する。すなわち、多重量子井戸層の結晶成長方向が支持基板１１０１に向かうように配列される。本実施形態の多重量子井戸層によれば、ＩｎＧａＡｓ井戸層の格子緩和が抑制されるので、転写しても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0032】

第１～第８の実施形態の半導体発光デバイスによれば、発光スペクトルの半値幅が狭くかつ長時間動作における信頼性が高められた半導体発光デバイスが提供される。これらの半導体発光デバイス波長がたとえば、１０００ｎｍ以下の赤外光を放出可能である。

【0033】

これらの半導体発光デバイスは、自動車運転システムに用いるＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）などのイメージング、リモコン、フォトカプラー、ＩｒＤＡ（Infrared Data Association）をはじめとした赤外線通信用光源などに広く用いることができる。

【0034】

なお、本発明の実施形態はこれらに限定されない。多重量子井戸数は１０などに限定されること無く、ＩｎＧａＡｓ井戸層に格子緩和を生じる可能性があり障壁層が複数の形態であれば適用可能である。また、結晶成長用基板としてＧａＡｓ基板を用いたが、ＩｎＰ、ＧａＰ、Ｓｉ、Ｇｅ、酸化膜、およびＡｌ_２Ｏ_３などの基板と、多重量子井戸層と、の間に半導体からなる結晶成長下地層として積層すると、ＩｎＧａＡｓの格子緩和の基準になるので単純に基板の格子定数でＩｎＧａＡｓの臨界膜合厚が決まるわけではない。この場合、結晶成長下地層は、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｐ、Ａｓのいずれかを含む化合物半導体、Ｓｉ、Ｇｅ、および酸化膜のうちのいずれか１つを含んでもよい。

【0035】

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】

【0036】

１０ 半導体発光デバイス、１２ 基板、４０ 多重量子井戸層、４０１～４１０ ＩｎＧａＡｓ井戸層、４１１～４１９ ＧａＡｓＰ障壁層、１０１１～１０１９ ＡｌＧａＡｓＰ障壁層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】