JP2001267633A - 光電変換機能素子の製造方法および光電変換機能素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 II−VI族化合物半導体結晶基板を用いて、発
光強度が高く安定した光電変換機能素子を安定して製造
できる方法を提供する。 【解決手段】 周期表第１２（２Ｂ）族元素および第１
６（６Ｂ）族元素からなる化合物半導体結晶基板を用
い、第１の導電型の前記基板を第２の導電型にする元素
を含む拡散源を前記基板表面に配置し、基板に熱処理を
施して当該拡散源からの熱拡散によりｐｎ接合を形成す
る光電変換機能素子の製造方法において、電極を形成す
る工程の後に前記ｐｎ接合を形成する工程を行うように
したので、ｐｎ接合は電極形成工程で行われる熱処理の
影響を受けなくなり、最適な接合深さで形成された構造
を維持することができ、発光強度が高く安定した光電変
換機能素子を製造することができるようになった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、周期表第１２（２
Ｂ）族元素および第１６（６Ｂ）族元素からなる化合物
半導体結晶基板を用いて作製される発光ダイオード（Ｌ
ＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ）等の光電変換機能素子の
製造方法に適用して有用な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】周期表第１２（２Ｂ）族元素および第１
６（６Ｂ）族元素からなる化合物半導体（以下、II−VI
族化合物半導体という。）は、ＣｄＴｅ（テルル化カド
ミウム）を除き、一般にｐ型、ｎ型の導電型の自由な制
御が困難であるため、これらの材料を用いて実用化され
た光電変換機能素子およびその製造方法は極めて少な
く、限定された範囲に留まっている。

【０００３】例えば、ＺｎＳｅ系の材料を用いて、光電
変換機能素子としての発光ダイオードを作製する方法に
おいては、ＧａＡｓ基板上に分子線エピタキシャル成長
法により何層ものＺｎＳｅ系の混晶薄膜を形成し、その
後に電極を形成してｐｎ接合型の発光ダイオードを作製
している。

【０００４】この発光ダイオードの作製に際して、Ｚｎ
Ｓｅ系材料は、熱平衡状態ではｐ型半導体の制御が困難
であるため、ラジカル粒子ビーム源とよばれる特殊な装
置を用いて、熱平衡状態ではないエピタキシャル成長法
を適用して混晶薄膜を形成していた。

【０００５】このようなＺｎＳｅ系の材料を用いた光電
変換機能素子としては、例えば４８０ｎｍの青色ＬＥＤ
が試作されている。また、ＣｄＺｎＳｅ-ＺｎＳｅの量
子井戸構造で青色ＬＤの作製が報告され、青色系デバイ
スとして注目されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
たように、II−VI族化合物半導体を用いた光電変換機能
素子にあっては、II−VI族化合物半導体の導電型の制御
が困難であるという物性に阻まれて材料系が極めて限定
されてしまい、前記ＺｎＳｅ系の材料以外ではII−VI族
化合物半導体を用いた光電変換機能素子は未だ実用化さ
れるに至っていない。

【０００７】また、ＺｎＳｅ系材料を用いた光電変換機
能素子を作製するにしても、導電型の制御を可能にする
ためには、エピタキシャル成長方法を用いる必要がある
ため生産性が低く、さらにラジカル粒子ビーム源などの
高価な装置を必要とするため製造コストも嵩むという難
点を抱えていた。

【０００８】そこで、本発明者等は、II−VI族化合物半
導体単結晶基板を用い、第１の導電型の基板を第２の導
電型にする元素を含む拡散源を基板表面より熱拡散させ
ｐｎ接合を形成する光電変換機能素子の製造方法を提案
した。（特願平１１−２９１３８号）。

【０００９】ところが、その後の研究により、上記製造
方法によって光電変換機能素子を作製した場合、拡散源
を熱拡散して形成されたｐｎ接合が、その後の電極を形
成する工程で行われる熱処理等により何らかの影響を受
け、発光強度が著しく低下してしまうという問題が判明
した。また、ｐｎ接合を形成する際に基板表面に残留し
た拡散源を透明電極として使用する場合もあるが、基板
裏面に電極を形成する工程で行われる熱処理中に基板表
面の拡散源がすべて基板中に拡散してしまい透明電極と
して使用できなくなるという問題も生じた。

【００１０】本発明は、上述のような問題を解決すべく
なされたものであり、II−VI族化合物半導体結晶基板を
用いて、発光強度の高い光電変換機能素子を安定して製
造できる方法を提供することを主な目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、周期表第１２（２Ｂ）族元素および第１６
（６Ｂ）族元素からなる化合物半導体結晶基板を用い、
第１の導電型の前記基板を第２の導電型にする元素を含
む拡散源を前記基板表面に配置し、当該拡散源に熱処理
を施して熱拡散によりｐｎ接合を形成する光電変換機能
素子の製造方法において、前記基板の裏面に電極を形成
する工程の後に、前記拡散源を前記基板の表面に配置
し、基板に熱処理を施して当該拡散源からの熱拡散によ
りｐｎ接合を形成する工程を行うようにしたものであ
る。

【００１２】これにより、拡散源を熱拡散して形成され
たｐｎ接合は、電極形成工程で行われる熱処理の影響を
受けないので最適な状態（接合深さ）で形成された構造
を維持することができ、発光強度の高い光電変換機能素
子を得ることができる。また、熱拡散後に基板表面に残
留した拡散源をそのまま透明電極として使用することが
できる。

【００１３】さらに、従来の製造工程では、基板が素子
製造の途中で破損して歩留まりが低下するのを防ぐため
に、まず製造工程における物理的衝撃に耐えうる厚さ
（例えば５００μｍ）に研磨した後、拡散源を熱拡散し
てｐｎ接合を形成する工程を行い、その後基板裏面を研
磨する（バックラップ）工程において基板を薄くして、
厚さを例えば２７０μｍに調整していたが、本発明によ
ると、電極を形成することにより物理的衝撃に対する基
板の強度が向上するので、最初から基板の厚さを、例え
ば２７０μｍ程度に薄くすることもできる。これによ
り、従来の製造工程では、ｐｎ接合を形成する工程の前
後に行っていた研磨工程を、最初に１回行うだけで良く
なり歩留まりが低下することなく生産効率が格段に向上
する。

【００１４】なお、上記ｐｎ接合形成のための熱処理は
電極に対する熱処理を兼用しても良いが、前記電極を形
成する工程で電極に熱処理を施すようにし、電極形成に
適した温度で熱処理を行うのが望ましい。具体的には、
電極を形成する工程においてｐｎ接合形成における熱処
理温度よりも高い温度で熱処理を行うことにより、基板
と電極との接触抵抗を一層低減させるとともに密着性を
より向上させることができる。また、基板裏面に形成さ
れた電極は、ｐｎ接合形成工程でも熱処理を施されるた
め、基板との接触抵抗および密着性がさらに向上するこ
とが期待できる。

【００１５】また、前記化合物半導体結晶基板としてＺ
ｎＴｅを用い、前記拡散源としてＡｌ，Ｇａ，Ｉｎまた
はその合金を用いるとよい。ＺｎＴｅ基板上に拡散源を
蒸着しアニールを行うことにより、自己補償効果を抑制
できバンド端発光を利用した光電変換機能素子を安定し
て生産することができる。さらに、前記Ａｌ，Ｇａ，Ｉ
ｎは、基板表面付近に存在する酸素等の不純物と安定し
た化合物を形成しやすく、それらの不純物をゲッタリン
グすることができるため、基板表面の純度を上げること
ができ緑色光の発光特性に優れた光電変換機能素子を安
定して得ることができる。

【００１６】前記手段によれば、発光中心波長が５５０
ｎｍから５７０ｎｍである光電変換機能素子が得られ
る。

【００１７】以下に、本発明者等が本発明に到るまでに
した考察及び研究経過について概説する。

【００１８】まず、本発明者等は、先に提案した「II−
VI族化合物半導体単結晶基板を用い、基板とは異なる導
電性を示す拡散源を基板表面に配置し、拡散によりｐｎ
接合を形成する光電変換機能素子の製造方法」（特願平
１１−０２９１３８号）についてさらに研究を重ねた。
具体的には、ＺｎＴｅ基板表面に拡散源としてＡｌを蒸
着し、拡散源からの熱拡散によりｐｎ接合を形成し、そ
の後基板裏面に電極を形成し、熱処理条件（温度と時
間）を変えて光電変換機能素子を作成して発光強度を測
定する実験を重ねた。

【００１９】ここで、実験の基板として用いたＺｎＴｅ
においては、バンド端発光の５５０ｎｍの光に対する吸
収係数ａが〜１×１０⁴／ｃｍであり、１μｍの厚さで
光の強度は１／ｅに減衰するため、光が減衰してしまう
前に基板表面から取り出す必要がある。そこで、本発明
者等はｐｎ接合の接合深さについて検討し、発光強度の
高い光を取り出すのに最適な接合深さは１μｍ以下、好
ましくは０．６μｍ程度という結果を得たので、今回の
実験で作製する素子の接合深さは０．６μｍ程度とし
た。

【００２０】本実験の結果、電極を形成する工程で行わ
れる熱処理条件によっては発光強度が著しく低下する素
子があることがわかった。この原因を究明すべく、発光
強度が低下した試料断面をＳＥＭにより観察したとこ
ろ、電極を形成する工程で行われる熱処理前の接合深さ
（０．６μｍ）に比べ、該熱処理後の接合深さの方が深
くなっていることが判明した。

【００２１】つまり、基板との接触抵抗を低減させるた
めおよび基板との密着性を高めるために電極を形成する
工程において熱処理を行うようにしているが、この熱処
理中に拡散源の拡散が進行したと考えられる。また、Ｚ
ｎＴｅ中のＡｌについて正確に拡散の活性化エネルギー
を測定したところ、１．８７ｅＶと大きかったので熱処
理以外で拡散が進行することは考えにくく、熱処理によ
り多大なエネルギーが発生したため拡散が進行し接合深
さが深くなったことを確信した。

【００２２】これより、電極を形成する工程で行われる
熱処理の温度を、拡散源を拡散してｐｎ接合を形成する
工程における熱処理の温度よりも低くすることで、前記
問題を解決できることが判った。しかし、電極を形成す
る工程で行われる熱処理は、基板と電極の接触抵抗およ
び密着性を向上させるためには、より高温で行われるこ
とが望ましい。

【００２３】そこで、光電変換機能素子の製造工程にお
いて、電極を形成する工程を行ってから拡散源を熱拡散
してｐｎ接合を形成する工程を行えば、ｐｎ接合を理想
の拡散深さとすることができるという知見を得て本発明
を完成するに至った。そして、本発明を適用することで
接合深さを最適な状態で形成することができ高強度の緑
色発光を安定して得ることができるとともに、基板表面
に残留した拡散源も透明電極として使用できるようにな
った。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態と
して、光電変換機能素子の一種である発光ダイオードに
ついて、図面を参照して具体的に説明する。

【００２５】図１は本実施形態に係る発光ダイオードの
製造工程の概略を示す参考図で、図中、符号１は発光ダ
イオードの基板となるｐ型ＺｎＴｅで、２はＡｕ電極
で、３はＡｌ拡散源で、４は基板１中に拡散源３が拡散
されて形成されたｎ型Ａｌ拡散層である。

【００２６】まず、ＺｎＴｅ半導体単結晶を転位密度が
５０００／ｃｍ²以下になるように融液成長させた。そ
して、前記ＺｎＴｅ結晶の両面を研磨して２７０μｍの
厚さにし、本実施形態に係る発光ダイオードの基板１と
した。

【００２７】次に、前記ＺｎＴｅ基板１の表面を臭素系
のエッチャントで数ミクロン除去した後、該基板を真空
蒸着装置内に配置した。そして、基板裏面にＡｕを５０
０ｎｍの膜厚で蒸着した。そして、Ａｕ電極２と基板１
との接触抵抗を低減するためおよび密着性を向上するた
めに５００℃で２分間熱処理を行った。

【００２８】次に、Ａｕ電極２をレジスト膜で保護した
状態で基板の表面をエッチングした。エッチングした基
板を真空蒸着装置に導入し、ＥＢ加熱（Electron Beam
加熱）により拡散源としてＡｌ膜を２０ｎｍの膜厚で蒸
着した。

【００２９】次に、この基板を拡散炉に配置し、接合深
さが０．６μｍ程度になるように、窒素雰囲気中で４０
０℃で１６時間の拡散処理を行いｐｎ接合を形成した。

【００３０】以上のようにして、基板表面に残留したＡ
ｌ拡散源の透明電極と基板裏面のＡｕ電極を電極とする
本実施形態の発光ダイオードを作製した。

【００３１】上記発光ダイオードの発光特性を評価した
結果、発光強度の高い良好な発光特性が得られた。ま
た、ＳＥＭで断面を観察したところｐｎ接合の接合深さ
は０．６μｍ程度であり目標とする接合深さに形成され
ていた。また、基板とＡｕ電極との密着性も良好であ
り、基板とＡｕ電極との接触抵抗も低減されていた。

【００３２】次に、比較のため従来の製造方法に従って
作製した発光ダイオードについて説明する。まず、Ｚｎ
Ｔｅ半導体単結晶を転位密度が５０００／ｃｍ²以下に
なるように融液成長させた。そして、前記ＺｎＴｅ結晶
の片面を研磨して５００μｍの厚さとし、本実施形態に
係る発光ダイオードの基板とした。

【００３３】次に、前記ＺｎＴｅ基板の表面を臭素系の
エッチャントで数ミクロン除去した後、該基板を真空蒸
着装置内に配置した。そして、ＥＢ加熱（Electron Bea
m加熱）により拡散源としてＡｌ膜を２０ｎｍの膜厚で
蒸着した。

【００３４】次に、表面にＡｌ拡散源を蒸着した基板を
拡散炉に配置し、接合深さが０．６μｍ程度になるよう
に、窒素雰囲気中で４００℃で１６時間の拡散処理を行
いｐｎ接合を形成した。

【００３５】次に、基板裏面を研磨して２７０μｍの厚
さにした後、Ａｌ拡散源表面をレジスト膜で保護した状
態で基板裏面をエッチングした。エッチングした基板を
真空蒸着装置に配置し、基板裏面にＡｕを５００ｎｍの
膜厚で蒸着した。そして、電極と基板との接触抵抗を低
減するためおよび電極と基板との密着性を向上するため
に５００℃で２分間熱処理を行った。

【００３６】上記発光ダイオードの発光特性を評価した
結果、著しく発光強度が低下し、発光面積も著しく減少
していた。また、ＳＥＭで断面を観察したところｐｎ接
合の接合深さは１．２μｍ程度となっており、電極を形
成する工程で行われた熱処理により明らかに拡散が進行
したことが確認された。

【００３７】以上本発明者等によってなされた発明を実
施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例
に限定されるものではない。例えば、基板としてＺｎＳ
ｅやＺｎＯ等のII−VI族基板を用いても同様の効果が期
待できる。また、拡散源もＡｌに限られるものではな
く、例えばＧａやＩｎ、またはそれらの合金を用いた場
合も、電極を形成する工程を行った後にｐｎ接合を形成
する工程を行うことにより同様の効果を期待できる。

【００３８】また、上記実施形態では、光電変換機能素
子として発光ダイオードを作製する場合についても述べ
たが、これに限らずレーザダイオード等その他の光電変
換機能素子にも適用可能である。

【００３９】

【発明の効果】本発明は、光電変換機能素子の製造方法
において、電極を形成する工程を行った後にｐｎ接合を
形成する工程を行うようにしたので、拡散源を熱拡散し
て発光強度を高くするのに最適な接合深さでｐｎ接合を
形成できるため、発光強度が高く安定した光電変換機能
素子を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本実施形態に係る発光ダイオードの製造
工程の概略を示す参考図である。

【符号の説明】

１ ｐ型ＺｎＴｅ基板 ２ Ａｕ電極 ３ Ａｌ拡散源 ４ ｎ型Ａｌ拡散層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F041 AA11 AA43 CA41 CA49 CA73 CA83 CA87 CA98 5F073 AA41 BA09 CA22 CB22 DA12 DA22 DA30 EA15

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 周期表第１２（２Ｂ）族元素および第１
   ６（６Ｂ）族元素からなる化合物半導体結晶基板を用
   い、第１の導電型の前記基板を第２の導電型にする元素
   を含む拡散源を前記基板表面に配置し、当該拡散源に熱
   処理を施して熱拡散によりｐｎ接合を形成する光電変換
   機能素子の製造方法において、 前記基板の裏面に電極を形成する工程の後に、前記拡散
   源を前記基板の表面に配置し、基板に熱処理を施して当
   該拡散源からの熱拡散によりｐｎ接合を形成する工程を
   行うことを特徴とする光電変換機能素子の製造方法。
2. 【請求項２】 前記電極を形成する工程は、電極に熱処
   理を施す工程を含み、その熱処理温度はｐｎ接合形成の
   ための熱処理温度よりも高いことを特徴とする請求項１
   に記載の光電変換機能素子の製造方法。
3. 【請求項３】 前記化合物半導体結晶基板はＺｎＴｅで
   あり、前記拡散源はＡｌ，Ｇａ，Ｉｎまたはその合金で
   あることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の
   光電変換機能素子の製造方法。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３の何れかに記載の
   光電変換機能素子の製造方法によって製造された光電変
   換機能素子であって、上記拡散源が電極として残留し、
   発光中心波長が５５０ｎｍから５７０ｎｍであることを
   特徴とする光電変換機能素子。