JP2005079152A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光効率の低下や素子寿命低下を抑制できる素子半導体発光素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】 基板上に エピ層１１５、グレーデッド層１１３、トラップ層１１２、グレーデッド層１１３、クラッド層１１１、ＭＱＷ活性層１１０、クラッド層１０９，電流拡散層１０８、コンタクト層１０７、電流ブロック層１０６が順次形成され 、電流ブロック層１０６の上面側とＧａＰ基板１１４の下面にそれぞれ電極１１６、１１７が形成されている発光素子において、グレーデッド層１１３は、Ｉｎ組成比とＡｌ組成比を略直線的に変化させ、格子定数を徐々に変化させた組成式Ｚｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ（ｘ＝０．５→０、ｙ≠０、１−ｘ−ｙ＝０．３５→０）からなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、化合物半導体発光素子、特に表示用光源や信号機及びデイスプレイ用の光源として用いられる接着型半導体発光素子に関するものである。

近年、ＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤ等の高輝度半導体発光素子は、従来の汎用ＬＥＤ等と比べて１０倍以上の明るさを持っていることから、携帯電話や車載用の照光用光源としてその需要が急拡大している。これらの用途には低電流で高輝度のＬＥＤが要求され、発光効率と光取り出し効率を最大限に高めるための技術開発が進んでいる。とりわけ、最近は光取り出し効率に関する技術開発が盛んである。

ＩｎＧａＡ１Ｐ系エピタキシャル成長層は、可視光領域内で発光波長を選ぶことができる。また、化合物半導体基板として最も一般的なＧａＡｓ基板に格子整合したエピタキシャル成長が可能である。この反面、ＧａＡｓ基板には可視光領域の光を吸収するという欠点がある。このため、ＩｎＧａＡ１Ｐ系エピタキシャル成長層で発光した光の一部がＧａＡｓ基板に吸収されるので、ＬＥＤの輝度の低下が避けられない。

そこで、可視光領域に対し透明な材料を基板に使用することが行われている。一般的な透明材料としてはＧａＰ基板があるが、ＧａＰ基板はＩｎＧａＡ１Ｐ系と格子整合がとれないため良好なエピタキシャル成長が難しい。この問題を解決するために、ＩｎＧａＡ１Ｐエピタキシャル成長層とＧａＰ基板とをウェーハ接着（Ｗａｆｅｒ Ｂｏｎｄｉｎｇ）する方法がある。これは、エピタキシャル成長層からＧａＡｓ基板を取り除き、代わりにＧａＰ基板を密着させて、圧力をかけながら熱処理をし、一体化する方法である。この方法によりＬＥＤの輝度増加が図れるが、ＧａＡｓ基板を除去した後のエピタキシャル成長層が薄いため取り扱いが難しく、また圧力を印加しながら熱処理をするので特殊な装置を用いる必要があり、ウェーハ接着工程の安定性や生産性に問題があった。

一方、ウェーハの接着に関しては、清浄な表面を有するウェーハ同士を直接接着する「直接接着」或いは「直接接合」と呼ばれる技術が開発されている。直接接着技術によると、発光層にＧａＰ基板を接着する際、有機金属気相エピタキシャル成長法（以下、ＭＯＣＶＤという）の熱処理温度よりも高温での熱処理が必要となる。この接着のプロセスにおいて、熱による発光層へのダメージを避けるために、接着時の熱処理温度を低くすることが考えられる。しかし、熱処理温度が低すぎると、発光層のクラッド層とＧａＰ基板の接着界面に良好なオーミック接触を形成することができなくなり、素子の動作電圧が上昇してしまうという問題がある。

そこで、発光層とＧａＰ基板との間に接着層を介在させた接着型の半導体発光素子が製造されている。

従来、透明基板を接着するタイプの半導体発光素子は、次のように製造されていた。図５及び図６は、従来の接着型の半導体発光素子としての発光ダイオードの製造工程を示す略示断面図であり、これら図面にしたがって説明する。まず、図５（ａ）に示すように、n-ＧａＡｓ基板４００を用意し、この上に、ＭＯＣＶＤにより、例えば成長温度７５０℃で成膜していく。ＭＯＣＶＤは、有機金属の蒸気と水素化物を原料として用い、水素をキャリアガスとしてこれら原料を成長室に導入し、熱分解反応によって加熱した基板上に化合物半導体結晶をエピタキシャル成長させる方法である。

n-ＧａＡｓ基板上４００に、例えばＳｉドーピング゛した膜厚０．５μmのＳｉ−ＧａＡｓバッファ−層４０１をエピタキシャル成長し、堆積させる。

次いで、上記バッファ−層４０１の上に、膜厚０．２μmのｉ−Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐストップ層Ｉ４０２ 、膜厚０．５μmのｉ-ＧａＡｓカバー層４０３、膜厚０．２μmのｉ−Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐストップ層II４０４、膜厚０．１μmのｉ-ＧａＡｓストップ層III４０５を順次、成長させる。

続いて、ストップ層III４０５の上に、膜厚０．２μmのｉ−Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐ電流ブロック層４０６、膜厚０．１μmのＳｉ−ＧａＡｓコンタクト層４０７、厚さ２．１μmのＳｉ−Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐ電流拡散層４０８、膜厚１．０μmのＳｉ−Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐクラッド層４０９を順次、エピタキシャル成長させる。

次いで、クラッド層４０９の上に、例えば膜厚５０ÅのＩｎ_０．５（Ｇａ_０．８Ａｌ_０．２）_０．５Ｐによる障壁層と膜厚８０ÅのＩｎ_０．５（Ｇａ_０．８Ａｌ_０．２）_０．５Ｐによる井戸層を交互に８０組積層してなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ‐Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）活性層４１０を成長させる。ここで、多重量子井戸は、光と電子の相互作用を増大するためのもので、複数層の量子井戸と量子井戸を分離する障壁層からなり、動作電流の低減や温度特性の向上が図られる。

次いで、ＭＱＷ活性層４１０の上に、膜厚１．０μmのＺｎ−Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐクラッド層４１１、厚さ０．０５μmのＺｎ−Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐ接着層４１２、厚さ０．１５μmのＳｉ−Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐキャップ゜層４１３を成長させる（図５（ａ）参照）。

次に、図５（ｂ）に示すように、エピタキシャル成長させた積層体から、例えば６０℃に加熱したリン酸にてＳｉ−Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐキャップ゜４１３層を選択除去する。このエピ基板をエピ基板Ｉとする。

一方、図５（ｃ）に示すように、Ｚｎ−ＧａＰ基板４１４に成長温度７５０℃にて、厚さ０．２μmのＺｎ−ＧａＰ層４１５をエピタキシャル成長させる。この基板をエピ基板IIとする。

その後、図５（ｄ）に示すように、直接接着の前処理として、例えば希弗酸にてＺｎ−Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐ接着層４１２及びエピ基板IIのエピＧａＰ層４１５のごく表面の酸化膜を除去し、２００℃以上で接着し、接着ウェーハIIIとする。

続いて、図５（ｅ）に示すように、接着体から、ＧａＡｓ基板４００とＳｉ−ＧａＡｓバッファ層４０１及び膜厚０．２μmのｉ−Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐストップ層Ｉ４０２をウエットエッチングで除去する。

直接接着の最終工程として、非接着体を拡散炉内に入れて高温７５０℃以上の温度で熱処理を行う。

接着の最終工程後、ｉ-ＧａＡｓカバー層４０３、ｉ−Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐストップ層II４０４、ｉ-ＧａＡｓストップ層III４０５をエッチング除去し、接着ウェーハIVとする。

次いで、図６（ａ）に示すように、フォトリソグラフィ−技術により、ｉ−Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐ電流ブロック層４０６にブロック層パタ―ンを形成し、接着パターン付ウェーハＶとする。

次いで、図６（ｂ）に示すように、n側電極４１６としてＡｕＧｅ／Ａｕ、p側電極４１７として、ＡｕＺｎ／Ａｕを形成し、 その後、フォトリソグラフィ技術とリフトオフ技術により光取り出しを考慮した電極パタ−ンをp電極、n側電極にそれぞれ形成する。

従来、接着タイプの高輝度ＬＥＤは、上述したように製作され、ＧａＡｓ基板に格子整合するＩｎＧａＡｌＰ系ダブルヘテロ型エピ層にＧａＰ基板を接着する場合、接着層としてＧａＡｓに格子整合したＩｎＧａＰ層が用いられていた。

さらに、発光層とＧａＰ層間の格子定数の差を考慮して、接着層を２層にすることも提案されている（例えば、特許文献１参照。）。これは、ＧａＰ基板上にｐ−ＧａＰによる第２接着層を成長させ、一方、発光層側にｐ−ＩｎＧａＰによる第１接着層を成長させ、第１接着層と第２接着層を接着するもので、５００〜７００℃の温度で熱処理している。

また、良好な接着ウェーハを得るためにウェーハ表面の汚れと酸化膜を除去するのにウェットケミカルエッチングが施される。このエッチングを含むボンディングプロセスについて、機械的に強固でかつ界面抵抗の低い接着体を得るには、
（ａ）ＧａＰ基板を硫酸・過酸化水素水・水の混合溶液（３：１：１）で、エピウェーハを硫酸・過酸化水素水・水の混合溶液（１：１：１０）でエッチングする。

（ｂ）脱イオン水ですすぐ。

（ｃ）希弗酸にひたす。

（ｄ）脱イオン水ですすぐ。

（ｅ）脱イオン水中で両ウェーハを接着し、水切り後、最終接着のために、直ちに反応炉に置く。

の手順で、かつ、ボンディング処理温度は７５０℃が最適との知見がある（例えば、非特許文献１参照。）。
特開２００２−２０３９８７号 （第３頁−４頁、図２） 特開平１０−２５６６６７号 ＩＥＥ オプトエレクトロン予稿集（Ｐｒｏｃ．−Ｏｐｕｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ） 第１４５巻、第４号 Ａｕｇｕｓｔ １９９８年８月（第２−３頁、 第３図）

一般に、異なる材料の接合（ヘテロ接合）を行う際、両材料の接合部の構造は重要である。まず、両者の表面は平坦である必要がある。つまり、欠陥の少ない良好な結晶成長ができることが重要である。このためには、両層は各々の基板に格子整合していなければならない。しかし、両層がそれぞれの基板に格子整合した結果、両層は格子定数の違う、異なる材料になる。

上述した接着層Ｚｎ−Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５ＰはＧａＰ基板との格子定数差が、３．３％、熱膨張係数が１７％も異なるため、格子定数差と熱膨張係数差に起因した高密度の格子欠陥や転位が界面に高密度で発生し、界面抵抗の増大や膜ハガレを招いた。そこで、ＩｎがＧａＰ側に拡散することで、接着強度を強固にするため、接着プロセスにおいて例えば７５０℃以上の高温での加熱処理が施されている。そのため、ダブルヘテロ構造部をなしているＭＱＷ活性層におけるp型クラッド層のド−パントＺｎが活性層内で拡散し、発光効率や素子寿命を低下させてしまうという技術的課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、格子定数差と熱膨張係数差に起因した高密度の格子欠陥や転位を抑制するとともに、接着温度をエピ温度より低い６００℃程度で接着可能となり発光効率の低下や素子寿命低下を抑制できる半導体発光素子およびその製造方法を提供することにある。

上記した課題を解決するために、本発明の半導体発光素子は、ＧａＰ基板と、この基板上に接着され、Ｉｎ組成比とＡｌ組成比を変化させて、格子定数を徐々に変化させた組成式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ（ｘ＝０．５→０、ｙ≠０、１−ｘ−ｙ＝０．３５→０）で表されるグレーデッド層と、このグレーデッド層上に形成されたトラップ層と、このトラップ層上に形成された第１のクラッド層と、この第１のクラッド層上に形成された活性層と、この活性層上に形成された第２のクラッド層と、この第２のクラッド層上に形成された電流拡散層と、この電流拡散層上に形成されたコンタクト層と、このコンタクト層上に形成された電流ブロック層と、電極とを備えたことを特徴とするものである。このことにより、グレーデッド層表面とＧａＰ基板の格子常数とが略整合するので、良質の接着型半導体発光素子が得られる。

また、本発明の半導体発光素子においては、上記グレーデッド層の前記ＧａＰ基板との接合面側上に、さらに上記ＧａＰ基板と同組成の薄膜層を形成し、この薄膜層を介して上記ＧａＰ基板と接着されると好適である。接着面における両素材間の熱膨張係数差が小さくできる。

また、本発明によれば、ｎ型のＧａＡｓ基板上にエッチングストップ層を形成する工程と、前記エッチングストップ層上に電流ブロック層を形成する工程と、前記電流ブロック層上にコンタクト層を形成する工程と、前記コンタクト層上に電流拡散層を形成する工程と、前記電流拡散層上に第１のクラッド層を形成する工程と、前記第１のクラッド層上に活性層を形成する工程と、前記活性層上に第２のクラッド層を形成する工程と、前記第２のクラッド層上にトラップ層を形成する工程と、前記トラップ層上に、Ｉｎ組成比とＡｌ組成比を略直線的に変化させて、格子定数を徐々に変化させた組成式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ（ｘ＝０．５→０、ｙ≠０、１−ｘ−ｙ＝０．３５→０）で表されるグレーデッド層を形成する工程と、前記グレーデッド層とＧａＰ基板とを接着する工程と、前記ＧａＡｓ基板と前記エッチングストップ層を除去する工程とを備える半導体発光素子の製造方法が提供される。このことにより、活性層へのドーパント拡散による輝度低下を低減でき、素子寿命が長い接着型半導体発光素子が得られる。

上記半導体発光素子の製造方法において、上記グレーデッド層の上記ＧａＰ基板との接合面側上に、さらに上記ＧａＰ基板と同組成の薄膜層を形成する工程を含み、この薄膜層を介して上記ＧａＰ基板と接着されることが好ましい。接着面における両素材間の熱膨張係数差が小さくでき、熱処理中の熱応力を低減できる。

また上記半導体発光素子の製造方法において、上記グレーデッド層上に、上記グレーデッド層とエッチング選択性をもつ表面保護層を形成する工程を含むことが望ましい。グレーデッド層の表面汚染や表面酸化を極力回避できる。

また上記半導体発光素子の製造方法において、上記接着工程における最高加熱処理温度が、６００℃以上でエピタキシャル成長温度より低い７７０℃未満であることが望ましく、詳しくは６９０℃未満が望ましい。活性層内でのド−パントの拡散を抑制し、発光素子の輝度及び寿命の向上が図られる。

以上詳述したとおり、本発明は、以下の効果を奏する。

すなわち、本発明によれば、活性層へのドーパント拡散による輝度低下を低減でき、素子寿命が長い接着型半導体発光素子が提供される。

また、本発明によれば、上述した効果を奏する接着型半導体発光素子を高い歩留まりで生産することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は、本実施形態にかかるＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体発光素子の略示断面図で、成長用基板等の発光素子作製過程で除去されるものは、図示されていない。同図に示す半導体発光素子は、ＭＱＷ活性層１１０と、このＭＱＷ活性層１１０を介在させて積層形成されたクラッド層１０９，クラッド層１１１からなる発光体を備えている。また、クラッド層１０９の上面には電流拡散層１０８が積層形成され、この電流拡散層１０８の上面にはさらに、コンタクト層１０７が積層形成されている。さらに、このコンタクト層１０７の上面には電流ブロック層１０６が積層形成されている。さらに、発光体のクラッド層１１１下面側にはトラップ層１１２が積層形成され、このトラップ層１１２を介してグレーデッド層１１３が積層形成されている。ＧａＰエピタキシャル層１１５が形成されたＧａＰ基板１１４はグレーデッド層１１３を介して上記積層体に一体的に接合され、電流ブロック層１０６の上面側とＧａＰ基板１１４の下面にそれぞれ形成された電極１１６、１１７と、を備えている。ここで、グレーデッド層１１３は、Ｉｎ組成比とＡｌ組成比を略直線的に変化させ、格子定数を徐々に変化させた組成式Ｚｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ（ｘ＝０．５→０、ｙ≠０、１−ｘ−ｙ＝０．３５→０）からなるものである。なお、Ｉｎ組成比とＡｌ組成比を略直線的に変化させるのが制御しやすく最も量産性がよいが、例えば、直線的に限らず、Ｓ字型、指数関数型あるいは階段型に変化させてもよい。

上記した積層体は、図示しないＧａＡｓ基板を成長用基板として化合物半導体の混晶をエピタキシャル成長させることにより形成されたものである。ＧａＰ基板１１４は、積層体の接着層であるグレーデッド層１１３と所定温度下で密着接合される。密着接合後に成長用基板は除去され、所定温度下、所定雰囲気下で最終接着されている。
ここで、ＭＱＷ活性層１１０は、例えばＩｎ_０．５（Ｇａ_０．８Ａｌ_０．２）_０．５Ｐからなる障壁層とＩｎ_０．５（Ｇａ_０．８Ａｌ_０．２）_０．５Ｐからなる井戸層を交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ‐Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）構造とし、クラッド層１０９は、厚さ１．０μmのＳｉ−Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐからなり、クラッド層１１１は、厚さ１．０μmのＺｎ−Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐとする。

このように、本実施形態の半導体発光素子は可視光領域の光を吸収しないＧａＰ基板１１４上に形成されているため、高い輝度で発光させることができる。

次に、上述した接着型半導体発光素子の製造方法の実施形態について説明する。以下の説明においては、ＩｎＧａＡｌＰ系半導体発光素子の製造に適用した具体例として説明し、より具体的には図１に示す発光素子の製造方法の実施例について図２を参照しながら説明する。
図２（ａ）〜（ｆ）は、本実施例の製造方法を具体的に説明する略示断面図である。成長用基板としてn-ＧａＡｓ基板を用意し、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により、例えば、成長温度７５０℃で図２（ａ）に示すように積層構造を成長させていく。本実施形態では、現状の化合物半導体基板のなかで最も結晶欠陥の少ない安定な結晶基板であることからＧａＡｓ基板を採用する。

n-ＧａＡｓ基板に格子整合するＩｎＧａＡｌＰ系膜を得るには、ＭＯＣＶＤの際、材料として、例えば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）などの有機金属及びアルシン、ホスフィンなどの水素化物ガスを用いる。

n-ＧａＡｓ基板１００上に、例えばＳｉをドーピングした膜厚０．５μmのＳｉ−ＧａＡｓバッファ層１０１をエピタキシャル成長し、堆積させる。

次に、上記Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層１０１上に、ｉ−Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐストップ層Ｉ１０２、ｉ−ＧａＡｓカバー層１０３、ｉ−Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐストップ層II１０４、ｉ−ＧａＡｓストップ層III１０５、ｉ−Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐ電流ブロック層１０６を順次エピタキシャル成長し、堆積させる。各層の厚さは、例えばストップ層Ｉ１０２が０．２μm、カバー層１０３が０．５μm、ストップ層II１０４が０．２μm、ストップ層III１０５が０．１μm、電流ブロック層１０６が０．２μmである。ここで、図１、図２において、例えば
ここで、ストップ層Ｉ１０２は、エッチング工程におけるエッチング停止層の働きをさせるもので、カバー層１０３は、エッチング工程における保護層の働きをさせるものである。また、ストップ層II１０４、ストップ層III１０５は、後述する熱処理中に、クラッド層（後述する）が露出しないようにするための働きをさせるものである。これは、ＩｎＧａＡｌＰ系材料を高温で加熱すると蒸気圧が高いＰ（リン）が蒸発し、いわゆるリン抜けを起こす可能性があるため、これを防止するのが目的である。

このように、活性層やクラッド層などの発光に直接関与するエピタキシャル成長層は、熱処理中に露出させないことが望ましい。また、電流ブロック層１０６は、最終的には電極（後述する）内に配設されるもので、電極に印加された電流が電極直下に流れることを防ぎ、電極直下で発光することを低減することにより、光が電極に吸収されることを回避し、光出力を上げるための働きをなす。

続いて、上記電流ブロック層１０６上に、Ｓｉ−ＧａＡｓコンタクト層１０７およびＳｉ−Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐによる電流拡散層１０８、Ｓｉ−Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐクラッド層１０９を、エピタキシャル成長し、堆積させる。各層の厚さは、例えばコンタクト層１０７が０．１μm、電流拡散層１０８が２．１μm、クラッド層１０９が１．０μmである。

これらコンタクト層１０７、電流拡散層１０８、クラッド層１０９に不純物として例えばシリコンがドープされる。シリコンの材料としては、例えばシランが使用される。

コンタクト層１０７は、電極のコンタクト抵抗を低減するための働きをするものである。電流拡散層１０８は、電極から印加された電流を拡散させることにより、発光層において効率よく発光させる働きをするものである。なお、電流拡散層１０８のＡｌ含有率は２〜１０％であることが好ましい。

続いて、上記クラッド層１０９の上に、Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．８Ａｌ_０．２）_０．５Ｐからなる障壁層とＩｎ_０．５（Ｇａ_０．８Ａｌ_０．２）_０．５Ｐからなる井戸層を交互に積層した多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ‐Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ）活性層１１０を成長させる。障壁層の厚さは、例えば膜厚５０Åとし、井戸層の厚さは、例えば８０Åとし、これらを８０組積層すると好適である。多重量子井戸は、光と電子の相互作用を増大するためのもので、複数層の量子井戸と量子井戸を分離する障壁層からなり、動作電流の低減や温度特性の向上が図られる。

尚、ＭＱＷ活性層１１０の組成は、発光波長に応じて決定される。すなわち、ＩｎＧａＡｌＰ中のＧａとＡｌとのバランスを変えることにより、赤色、橙色、黄色、黄緑色、緑色の光が得られる。

次いで、ＭＱＷ活性層１１０の上に、Ｚｎ−Ｉｎ_０．５Ａｌ_０．５Ｐからなるクラッド層１１１をエピタキシャル成長させる。このクラッド層１１１の膜厚は、例えば１．０μmである。このように、クラッド層１０９、１１１とＭＱＷ活性層１１０とによってダブルヘテロ構造を構成させている。ＭＱＷ活性層１１０の屈折率はクラッド層１０９、１１１の屈折率に比べて高くなっているので、発光した光はＭＱＷ活性層１１０内に閉じ込められることになる。

次いで、クラッド層１１１の上に、膜厚０．１５μmのＺｎ−ＩｎＧａ_０．３Ａｌ_０．７Ｐトラップ層１１２をエピタキシャル成長させる。このトラップ層１１２は、後述するグレーデッド層に高濃度でドーピングされるＺｎの拡散を阻止する働きをするものである。なお、図１、図２において、例えば電流拡散層１０８あるいはトラップ層１１２の化合物組成をＳｉ−Ｑ（０．３）あるいはＺｎ−Ｑ（０．７）と表記しているが、これらの表記中のＱ（０．３）はＩｎＧａＡｌＰ系材料におけるＡｌのＧａに対する組成比が０．３であることを表している。その他の図面でも同様である。

上記のようにエピタキシャル成長を重ねた積層体を、そのままＰＨ３雰囲気中に保持し、上述した成長温度に＋３０℃加算して成長温度を７８０℃まで昇温させる。そして、上記トラップ層１１２の上に、グレーデッド層１１３をエピタキシャル成長させる。このグレーデッド層１１３は例えば膜厚を０．０３μmで、Ｉｎ組成比とＡｌ組成比を略直線的に変化させ、格子定数を徐々に変化させた組成式Ｚｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ（ｘ＝０．５→０、ｙ≠０、１−ｘ−ｙ＝０．３５→０）からなるものである。したがって、グレーデッド層１１３の表面は、Ｚｎ−ＧａＰとなる（図２（ａ）参照。）。

次いで、図２（ｂ）に示すように、グレーデッド層１１３の表面を極薄く、例えば１０Åエッチングし、エピ基板Ｉが作製される。

一方、図２（ｃ）に示すように、Ｚｎ−ＧａＰ基板に成長温度７５０℃にて、厚さ０．２μmのＺｎ−ＧａＰ層を成長させる。この基板をエピ基板IIとする）。

その後、直接接着の前処理として、エピ基板IIを界面活性剤で洗浄し、希弗酸に浸漬して表面の自然酸化膜を除去し、水洗をした後にスピナで乾燥させた。また、エピ基板Ｉはグレーデッド層１１３をエピ基板IIと同様にして酸化膜除去のため希弗酸処理を行い、水洗とスピナ乾燥を行なった。これらの前処理は、すべてクリーンルーム内の清浄な雰囲気下で行った。
次に、前処理を終えたエピ基板Ｉをエピタキシャル成長層が上方になるように載置し、その上にエピ基板IIを、鏡面が下向きになるように載置し、２００℃以上雰囲気下で密着させ、これを図２（ｄ）に示されるように、接着基板IIIとする。エピ基板IIは透明であるため密着状態を目視にて観察できる。

次いで、図２（ｅ）に示すように、接着基板IIIから、成長用基板であるＧａＡｓ基板１００と、Ｓｉ−ＧａＡｓバッファ層１０１、及び膜厚０．２μmのｉ−Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐストップ層Ｉ１０２をウエットエッチングで除去する。例えば、ＧａＡｓ基板１００とＳｉ−ＧａＡｓバッファ層１０１の除去は、被接着体をアンモニアと過酸化水素水と水の混合液に浸漬し、選択的にエッチング処理でき、ｉ−Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐストップ層Ｉ１０２の除去は、塩酸と過酸化水素水と水の混合液でエッチング処理できる。

直接接着の最終工程として、エッチング処理後の接着基板IIIを石英ボートに立てて並べ、拡散炉内に入れてエピタキシャル成長温度より低い６００℃の温度で熱処理を行う。処理時間は１時間で、水素を１０％含むアルゴン雰囲気下が好適である。尚、熱処理温度を下げすぎるとＶＦがあがり、上げすぎると活性層へのドーパント拡散が著しくなるので、熱処理温度は６００℃程度が望ましい。

接着の最終工程後、ｉ-ＧａＡｓカバー層１０３、ｉ−Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐストップ層II１０４及びｉ-ＧａＡｓストップ層III１０５をエッチング処理で除去すし、図２（ｅ）に示すものとする。

続いて、フォトリソグラフィ−技術により、図２（ｆ）に示すように、ｉ−Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐ電流ブロック層１０６にブロック層パタ―ンを形成し、n側電極１１６としてＡｕＧｅ／Ａｕ／Ｍｏ／ＡｕあるいはＡｕＧｅ／Ａｕを、p側電極１１７として、ＡｕＺｎ／Ａｕを形成する。

その後、フォトリソグラフィ−技術及びリフトオフ技術により光取り出しを考慮した電極パタ−ンをp電極、n側電極にそれぞれ形成する（図１参照。）。

本実施の形態では、接着層として、Ｉｎ組成とＡｌ組成を略直線的に変化させたＺｎ−Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ（ｘ＝０．５→０、ｙ≠０、１−ｘ−ｙ＝０．３５→０）グレーデッド層１１３を用いることで、光に対する透明性の高い平坦なＧａＰ層とエピ温度よりも低い温度での接着が可能となり、高温での接着によるｐ型ド−パントであるＺｎやＭｇなどの拡散を防止でき、発光効率の低下や素子寿命低下を抑制できる高輝度の半導体発光素子を得ることができる。

尚、エピ基板Ｉのグレーデッド層上にエッチング選択性のあるＧａＡｓキャップ層を例えば０．００５μmの厚さで成長させ、接着直前にＳＨで選択的にエッチング除去してから、ＧａＰ基板との接着を行うことでもよい。このようなプロセスを経ることにより、ＧａＡｓキャップ層はグレーデッド層の表面汚染や表面酸化を極力回避できるようになる。

図３は、本発明にかかるＩｎ組成とＡｌ組成を変化させたグレーデッド層と従来技術におけるＩｎＧａＰ接着層の表面の最大粗さを示す。グレーデッド層表面の平坦性は、ＩｎＧａＰ接着層と比べてほぼ同等以上の平坦性を有しており、接着におけるエピ表面の平坦性も問題とはならないことがわかる。

本発明の第２の実施形態を、図４にしたがって説明する。図４に示されるように、第２の実施の形態においては、グレーデッド層２１３上に、ＧａＰ基板２１４と同じ組成のＧａＰ薄膜層２１８をエピタキシャル成長させたものである。このＧａＰ層２１８は、ＧａＰ基板２１４との接着層として働く。ＧａＰ薄膜層２１８はその表面が平坦性を有するため、Ｚｎ−ＧａＰエピ層２１５との接着性を良好にすることができる。また、接着後の格子ひずみを少なくすることができる。ＧａＰ薄膜層２１８はその厚みが例えば、５００Å以上になると、その表面の平坦性が失われるため、それよりも厚くする必要があり、かつ、接着後の格子整合性を保つだけの厚みが必要になる。

尚、これ以外の構成並びに製造プロセスは、第１の実施の形態と同じであるため、対応する部分には下２桁が対応する番号を付し詳細な説明は省略する。

本発明は上記した実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

本発明にかかる半導体発光素子の実施の一形態を示す略示断面図である。 本発明にかかる半導体発光素子の製造方法の一実施形態を説明する略示断面図である。 本発明にかかる半導体発光素子のグレーデッド層と従来技術のＩｎＧａＰ接着層の表面における最大粗さを示すグラフ。 本発明にかかる半導体発光素子の他の実施形態を示す略示断面図である。 従来の発光ダイオードの製造方法を説明する略示断面図である。 従来の発光ダイオードの製造方法を説明する略示断面図である。

符号の説明

１０６、２０６、４０６：電流ブロック層
１０７、２０７、４０７：コンタクト層
１０８、２０８、４０８：電流拡散層
１０９、２０９、４０９：クラッド層
１１０、２１０、４１０：ＭＱＷ活性層
１１１、２１１、４１１：クラッド層
１１２、２１２：トラップ層
１１３、２１３：グレーデッド層
１１４，２１４，４１４：ＧａＰ基板
１１５、２１５、４１５：ＧａＰエピ層
１１６、２１６、４０９：n側電極
１１７、２１７、４１０：ｐ側電極
２１８、４１２：接着層

Claims (6)

1. ＧａＰ基板と、この基板上に接着され、Ｉｎ組成比とＡｌ組成比を変化させて、格子定数を徐々に変化させた組成式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ（ｘ＝０．５→０、ｙ≠０、１−ｘ−ｙ＝０．３５→０）で表されるグレーデッド層と、このグレーデッド層上に形成されたトラップ層と、このトラップ層上に形成された第１のクラッド層と、この第１のクラッド層上に形成された活性層と、この活性層上に形成された第２のクラッド層と、この第２のクラッド層上に形成された電流拡散層と、この電流拡散層上に形成されたコンタクト層と、このコンタクト層上に形成された電流ブロック層と、電極とを備えたことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記グレーデッド層は前記Ｉｎ組成比とＡｌ組成比を略直線的に変化させるとともに、前記グレーデッド層の前記ＧａＰ基板との接合面側上に、さらに前記ＧａＰ基板と同組成の薄膜層を形成し、この薄膜層を介して前記ＧａＰ基板と接着されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. ｎ型のＧａＡｓ基板上にエッチングストップ層を形成する工程と、前記エッチングストップ層上に電流ブロック層を形成する工程と、前記電流ブロック層上にコンタクト層を形成する工程と、前記コンタクト層上に電流拡散層を形成する工程と、前記電流拡散層上に第１のクラッド層を形成する工程と、前記第１のクラッド層上に活性層を形成する工程と、前記活性層上に第２のクラッド層を形成する工程と、前記第２のクラッド層上にトラップ層を形成する工程と、前記トラップ層上に、Ｉｎ組成比とＡｌ組成比を略直線的に変化させて、格子定数を徐々に変化させた組成式Ｉｎ_ｘＧａ_ｙＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｐ（ｘ＝０．５→０、ｙ≠０、１−ｘ−ｙ＝０．３５→０）で表されるグレーデッド層を形成する工程と、前記グレーデッド層とＧａＰ基板とを接着する工程と、前記ＧａＡｓ基板と前記エッチングストップ層を除去する工程とを具備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
4. 前記グレーデッド層の前記ＧａＰ基板との接合面側上に、さらに前記ＧａＰ基板と同組成の薄膜層を形成する工程を含み、この薄膜層を介して前記ＧａＰ基板と接着されることを特徴とする請求項３記載の半導体発光素子の製造方法。
5. 前記グレーデッド層上に、前記グレーデッド層とエッチング選択性をもつ表面保護層を形成する工程を含むこと特徴とする請求項３記載の半導体発光素子の製造方法。
6. 前記接着工程における最高加熱処理温度が、６００℃以上でエピタキシャル成長温度より低い温度であることを特徴とする請求項３ないし請求項５記載の半導体発光素子の製造方法。

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