JP2000516768A - 赤外線を発光する発光ダイオードの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、有利にはＧａＡｓからなる半導体基板（１）上に、層系列を取付け、この層系列が、半導体基板（１）から出発して、第１のＡｌＧａＡｓ被覆層（２）、ＧａＡｓ及び／又はＡｌａＡｓを含む活性層（３）、及び第２のＡｌＧａＡｓ被覆層（４）を有し、その際、第１のＡｌＧａＡｓ被覆層（２）及び活性層（３）をＭＯＶＰＥ（金属有機物気相エピタキシー）方法により、かつ第２のＡｌＧａＡｓ被覆層（４）をＬＰＥ（液相エピタキシー）方法により、製造する、赤外線を発光する発光ダイオードの製造方法に関する。さらに第２のＡｌＧａＡｓ被覆層（４）の上に、ＬＰＥ（液相エピタキシー）方法によって、少なくともほぼ１０μｍの厚さを有しかつ赤外線スペクトル範囲において光学的に透明な導電性の出力結合層（５）を析出させる。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称：赤外線を発光する発光ダイオードの製造方法 本発明は、有利にはＧａＡｓからなる半導体基板上に、発光ダイオードの動作 中に赤外線（ＩＲ）ビームを送出する活性層系列を取付け、この層系列が、半導 体基板から出発して、第１のＡｌＧａＡｓ被覆層、ＧａＡｓ及び／又はＡｌＧａ Ａｓを含む活性層、及び第２のＡｌＧａＡｓ被覆層を有する、赤外線を発光する 発光ダイオードの製造方法に関する。 ルミネセンスダイオード又は発光ダイオード（ＬＥＤ）は、とくに光学通信技 術において送信要素として必要になる。放射される光の所望の波長に依存して、 種々の半導体系が利用され、これらの半導体系のそれぞれ基礎となる半導体材料 は、それぞれ独立した技術的な問題設定を伴う種々の製造方法も生じる。ほぼ４ ００〜８００ｎｍの波長を有する可視スペクトル範囲において、ＡｌＧａＩｎＰ 合金系が利用され、この合金系においてアルミニウム含有量の調節によって、比 較的広い色範囲から所望の波長を確定することができる。赤外線範囲におけるさ らに長い波長で動作しかつ通常ＡｌＧａＡｓ系に基づく発光ダイオードは、これ とは区別され、この系においてほぼ１０％〜３０％の 典型的な範囲におけるアルミニウム含有量を調節することによって、ほぼ８００ ｎｍ以上の放射光の波長を達成することができる。本発明は、ＡｌＧａＡｓ系を 基礎としたこのような赤外線発光ダイオードの製造に関する。従来の赤外線発光 ダイオードにおいて、ＧａＡｓ基板上に取付けられるすべての層系列は、ＬＰＥ （液相エピタキシー）方法によって製造されていた。これにおいてエピタキシャ ル層の構成のために、相応して所望のドーピング材料から構成された所定の温度 において過飽和の溶融物が、ＧａＡｓからなる基板結晶に接触させられるので、 それに続く冷却の際に、基板結晶上にＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓのエピタキシャ ル層が構成される。このようにして状態図に相応して異なった組成の単結晶層を 成長させることができる。液相エピタキシー方法は、比較的高い成長速度を有し 、かつそれ故に比較的厚いエピタキシャル層の製造にも適している。ちょうどこ こにおいて興味がある赤外線発光ダイオードにおける層系列の製造に関連して、 従来の方法にしたがって析出した比較的厚いＡｌＧａＡｓ−ＬＰＥ層が、機械的 応力を、したがって曲がったＥｐｉウエハを生じ、これらのウエハが、後続の技 術ステップにおいて処理困難であることは、不利とみなされる。この理由により 、ウエハ複合体における赤外線を発光する発光ダイオードの従来利用された製造 方法は、最大２インチのウエハ直径を有する半導体基 板に制限されている。 本発明の別の実施態様において、赤外線を発光する発光ダイオードは、発光ダ イオードから放射される光の光学的出力結合効率を改善するために、いわゆる出 力結合層を装備している。その際、光学的な出力結合効率は、まずおおいに基礎 となる半導体材料の層構成によって決まる。まとめて活性層と称する薄い層内に おいて本来の光発生が行なわれ、かつ例えば二重ヘテロ層構造を有する発光ダイ オードにおけるように、いわゆる活性領域を、又はホモｐｎ発光ダイオードにお けるように、ｐｎ接合部の回りに構成された光発生領域を含む場合、放射される 波長に対して低い吸収率を有する両側に配置された被覆層は、出力結合効率をは っきりと改善することができる。そのために層構造の製造の際に、光発生領域（ 活性層）において設定されるものより大きなエネルギーギャップを有する比較的 厚い半導体層を取付けなければならない。現在このような構造の製造は、その場 では液相エピタキシー方法（ＬＰＥ）によって、又は種々の気相エピタキシー方 法（ＶＰＥ）の組合せによってしか製造されず、その際、後者において光発生構 造は、通常ＭＯＶＰＥ方法によって、かつ厚い出力結合層は、ＶＰＥ方法によっ て製造される。このような厚い出力結合層を有するＬＥＤ構造を製造するために ＭＯＶＰＥ方法を使用する際の欠点は、比較的低い析出速度にある。ほぼ１０μ ｍ以上の厚さを有する比較的厚いウインドウ層又はとくに大きな出力結合効率上 昇を可能にする有利にはＧａＡｓからなる出力結合層を製造するために、従来Ｍ ＯＶＰＥ方法とＶＰＥ方法とからなる組合せが使用されている。本発明によれば 、厚い出力結合層を備えたＬＥＤ構造を製造することができる新しい方法の組合 せを提供するようにする。その際、困難は、とりわけ前記のパラメータによって 敏感な層構造（活性領域の場合に二重ヘテロ層又はｐｎ接合部）の損傷の程度が 決まるので、出力結合層に対する組成と製造条件が外部の効率に影響を及ぼすこ とにある。 米国特許第５,２３３,２０４号明細書、又はK.H.Huang他著、Appl.Phys.Lett. ,61(9)、３１、８月、１９９２、第１０４５〜１０４７頁によれば、ＡｌＧａＩ ｎＰ合金系に基づく波長５５５ないし６２０の可視スペクトル範囲における発光 ダイオードの製造が公知になっている。これらの発光ダイオードは、ＧａＡｓ基 板から出発して、ｎタイプの第１のＡｌＧａＩｎＰ被覆層、ｎタイプのＡｌＧａ ＩｎＰからなる活性層、及びｐタイプの第２のＡｌＧａＩｎＰ被覆層を有する層 系列を含んでいる。両方の被覆層は、それぞれほぼ８００ｎｍの厚さを有し、活 性領域は、ほぼ５００ｎｍの厚さを有する。第１のＡｌＧａＩｎＰ被覆層、活性 領域及び第２のＡｌＧａＩｎＰ被覆層は、ＭＯＣＶＤ（金属有機化学的蒸着）方 法によって製造される。さ らに第２のＡｌＧａＩｎＰ被覆層の上に、少なくとも１５μｍの厚さを有するＧ ａＰ、ＡｌＧａＡｓ又はＧａＡｓＰからＶＰＥ（気相エピタキシー）方法によっ て製造される光学的に透明な出力結合層を構成することは周知である。その際、 出力結合層は、側方に放射される光量を持ち上げかつ光を吸収する基板により吸 収される光量を減少することによって、発光ダイオードの有効な光放射を増加す るために使われる。出力結合層は、このために少なくとも０.０６・発光ダイオ ードの幅の厚さを有する。その際、出力結合層の光学屈折率は、全反射角によっ て決まる発光ダイオード内において吸収される光の割合を減少するように、選定 される。 本発明の課題は、比較的厚いＡｌＧａＡｓ層を析出する際に、発生する機械的 応力を減少し、かつその結果、２インチより大きなウエハ直径におけるウエハ複 合体に多数の発光ダイオードを問題なく製造するためにも適している、ＧａＡｓ 半導体基板及びＡｌＧａＡｓ系に基づく層系列によって赤外線を発光する発光ダ イオードを製造する方法を提供することにある。 この課題は、請求の範囲第１項に記載の方法によって解決される。 本発明による方法の有利な態様及び構成は、請求の範囲第２〜９項の対象であ る。 本発明は次の点にある。すなわち第１のＡｌＧａＡ ｓ被覆層及び活性層をＭＯＶＰＥ（金属有機物気相エピタキシー）方法により、 かつ第２のＡｌＧａＡｓ被覆層をＬＰＥ（液相エピタキシー）方法により、製造 する。ＡｌＧａＡｓ系を基礎とする赤外線を発光する発光ダイオードの製造にお けるＭＯＶＰＥ及びＬＰＥからなる本発明による方法組合せは、従来利用された 方法に対して、次のような利点を有する： エピタキシャル層の良好なキャリヤ移動度及び高度の寿命にとって重要な最適 な構造上の整合の意味において、機械的応力に関してとくに微妙な第１のＡｌＧ ａＡｓ被覆層及び活性層は、ＭＯＶＰＥ方法によって製造され、このＭＯＶＰＥ 方法において利用された金属は、低い蒸気圧において担体ガスとして有利にはト リメチルガリウムによって気相における運搬に関して行なわれる。その際、析出 は、ＧａＡｓ結晶の融点よりもずっと下で行なわれ、それによりエピタキシー装 置からの不純物の組込みは、はっきりと抑圧される。典型的にはほぼ１０μｍの 被覆層及び活性領域からなる活性層構造の総合厚さの際、ＭＯＶＰＥ方法におい て利用できる析出速度は、まだ十分に高い。第２のＡ１ＧａＡｓ被覆層の製造の ため、ＬＰＥ方法が選択され、このＬＰＥ方法は、さらに簡単にかつさらに望ま しいコストで行なうことができ、かつ著しく高い析出速度を提供し、それ故にさ らに大きな層厚にとくに適している。このようにして製造されたＥｐｉウエハは 、その製造の後に、従来周知の方法によって製造されたＥｐｉウエハよりもはっ きりとわずかな曲がりを有する。 第１のカバー層の上におけるほぼ１０μｍ以上の厚さを有する比較的厚いウイ ンドウ層又は出力結合層の又はさもなければほぼ７０μｍ以上の厚さを有する自 己支持する出力結合層の製造のために、本発明の基本方式にしたがって次のこと が提案される。すなわち第１の被覆層及び活性層のためのＭＯ気相エピタキシー と第２の被覆層及び出力結合層のための液相エピタキシーとの方法の組合せを設 け、この方法組合せが、所望の赤外線を発光する発光ダイオードを製造するため の新しい有利な実現を提供し、その際、液相析出のために、とくに光を発生する 層構造のできるだけわずかな熱負荷に悪影響を及ぼすＬＰＥ方法の変形が、した がって例えば温度差ＬＰＥ方法が適用される。ＧａＡｓの形の吸収する基板の後 続のエッチング除去又は切離しによって、このようにして製造されたＩＲ発光ダ イオードがとくに高い出力結合効率を有することが達成される。 本発明のその他の特徴、利点及び目的適合性は、図面による実施例の次の説明 によって明らかである。ここでは： 図１は、本発明の第１の実施例によるＩＲ発光ダイオードの概略的な断面図を 示し； 図２は、本発明の第２の実施例によるＩＲ発光ダイオードの概略的な断面図を 示し；かつ 図３は、本発明の第３の実施例によるＩＲ発光ダイオードの概略的な断面図を 示している。 本発明による方法にしたがって製造された赤外線を発光する発光ダイオードの 図１に示された実施例は、ＧａＡｓからなる半導体基板１を含み、この半導体基 板上に、発光ダイオードの範囲においてＩＲビームを送出する活性層系列が取付 けられており、この層系列は、半導体基板１から出発して、ｘ＝０.３５を有す る第１のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ被覆層２、活性層３、及びｘ＝０.３５を有する第２ のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ被覆層４を有する。図１による実施例による活性層３は、ほ ぼ８３０ｎｍの放射ＩＲビームの波長を有するＡｌＧａＡｓ二重ヘテロ構造をな しており；その代わりに活性層３は、ホモｐｎ接合部によって構成してもよい。 図１に示された層構造は、とくに高速の赤外線を発光する発光ダイオードの製造 にとくに適している。 第１のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ被覆層２と活性層３は、ＭＯＶＰＥ（金属有機物気相 エピタキシー）方法によって製造されるが、一方第２のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ被覆層 ４は、ＬＰＥ（液相エピタキシー）方法によって製造される。 図２に示された実施例において、第２のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ被覆層４の上に追加 的にｘ＝０.２〜０．４を 有するＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ出力結合層５が析出し、このＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ出力結合 層５は、ＬＰＥ（液相エピタキシー）方法によって析出し、かつほぼ１０μｍ〜 ほぼ５０μｍの総合厚さを有する。参照符号６及び７は、電気的に導通する電極 端子を示し、これらの電極端子は、図１による表示において簡単化のために省略 されている。 図３による実施例において、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ出力結合層５は、少なくともほ ぼ５０μｍの厚さを有する自己支持する層として構成されており、かつ光学的に 吸収する基板１は、エッチング又は類似の切離しステップによって切離されてい る。この実施例において、自己支持する出力結合層５は、ある程度透明な基板と して使われ、この基板は、層２、３、４及び６、７からなる構造を支持している 。 図２及び３に示された実施例は、とくに明るい赤外線を発光する発光ダイオー ドの製造にとくに適している。 符号リスト １ 半導体基板、２ 第１のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ被覆層、３ 活性層、４ 第２ のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ被覆層、５ Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ出力結合層、６、７ 電気的 に導通する電極端子

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．有利にはＧａＡｓからなる半導体基板（１）上に、発光ダイオードの動作中 に赤外線ビームを送出する活性層系列を取付け、この層系列が、半導体基板（１ ）から出発して、第１のＡｌＧａＡｓ被覆層（２）、ＧａＡｓ及び／又はＡｌＧ ａＡｓを含む活性層（３）、及び第２のＡｌＧａＡｓ被覆層（４）を有する、赤 外線を発光する発光ダイオードの製造方法において、第１のＡｌＧａＡｓ被覆層 （２）及び活性層（３）をＭＯＶＰＥ（金属有機物気相エピタキシー）方法によ り、かつ第２のＡｌＧａＡｓ被覆層（４）をＬＰＥ（液相エピタキシー）方法に より、製造することを特徴とする、赤外線を発光する発光ダイオードの製造方法 。 ２．第１のＡｌＧａＡｓ被覆層（２）及び／又は第２のＡｌＧａＡｓ被覆層が、 ほぼ１０％〜ほぼ３５％のそれぞれ１つのＡｌ含有量を有する、請求項１記載の 方法。 ３．赤外線を発光する多数の発光ダイオードの製造をウエハ複合体において行な い、その際、ウエハが、２インチより大きな直径を有する、請求項１又は２記載 の方法。 ４．第２のＡｌＧａＡｓ被覆層（４）の上に、ＬＰＥ（液相エピタキシー）方法 によって、少なくともほ ぼ１０μｍの厚さを有しかつ赤外線スペクトル範囲において光学的に透明な導電 性の出力結合層（５）を析出させる、請求項１から３までのいずれか１項記載の 方法。 ５．出力結合層（５）が、自己支持するように構成され、かつ少なくともほぼ５ ０μｍの厚さを有する、請求項４記載の方法。 ６．自己支持する出力結合層（５）の製造の後に、有利にはＧａＡｓからなる半 導体基板（１）を切離す、請求項５記載の方法。 ７．出力結合層（５）が、有利にはほぼ２０％〜ほぼ３５％のＡｌ含有量を含む ＡｌＧａＡｓからなる、請求項５又は６記載の方法。 ８．複数のＬＰＥ個別ステップにおいて出力結合層（５）を製造する、請求項５ から７までのいずれか１項記載の方法。 ９．温度差ＬＰＥ方法によって出力結合層（５）を製造する、請求項４から８ま でのいずれか１項記載の方法。