JP2008108964A - 半導体発光装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発光効率が高い半導体発光装置を安定して得ることが出来るようにする。
【解決手段】
基板と、基板上方に形成され、第１導電型の、発光色に対し透明な第１のクラッド層と、第１のクラッド層上に積層され、所望の波長の光を発光する活性層と、活性層上に積層され、第２導電型の、発光色に対し透明な第２のクラッド層とを有するＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光装置であって、第１のクラッド層、活性層および第２のクラッド層の３層の平均炭素濃度が７×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である半導体発光装置を作製する。
【選択図】図８

Description

本発明は、半導体発光装置に関し、特にＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光装置に関する。ここでいうＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光装置とは、半導体層に組成の異なるＡｌＧａＩｎＰを主成分として用いた半導体発光装置を指す。

一般的に、半導体発光装置（ＬＥＤ）は、化合物半導体基板上に所望の結晶をエピタキシャル成長させ製造する。基板にはガリウム砒素（ＧａＡｓ）結晶が用いられることが多い。

基本的なＬＥＤとして、ＧａＡｓ基板にアルミガリウムインジウムリン（ＡｌＧａＩｎＰ）系結晶を積層した例を挙げる。ＧａＡｓ基板上にＭＯＣＶＤ法にて、第１の導電型を有し、発光層よりもバンドギャップの大きい下部クラッド層、所望の波長を発光する発光層、第２の導電型を有し、発光層よりもバンドギャップの大きい上部クラッド層と、いわゆるダブルへテロ構造を構成し、必要であれば電流拡散層をさらに積層したＬＥＤである。このようなＬＥＤは、特開平１１−１２１７９６号公報や、特開２００４−３０４０９０号公報などに記載の提案である。

特開平１１−１２１７９６号公報 特開２００４−３０４０９０号公報

上記特許文献に記載の半導体発光装置を製造すると、半導体発光装置の発光特性に完成品毎に大きなばらつきが生じ、性能が不安定である。このような性能のばらつきは、意図的でない残留不純物の影響が大きいと考えられている。

本発明の目的は、発光効率が高い半導体発光装置を安定して提供することである。

本発明の一観点によれば、基板上方に第１導電型の第１のクラッド層を成長させる工程と、前記第１のクラッド層の上に活性層を成長させる工程と、前記活性層の上に第２導電型の第２のクラッド層を成長させる工程とを含むＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光装置の製造方法であって、ＭＯＣＶＤ装置に供給する、Ｖ族原料のＩＩＩ族原料に対する比（Ｖ／ＩＩＩ）を６０以上に調整することにより、前記第１のクラッド層、前記活性層および前記第２のクラッド層の３層の平均炭素濃度を７×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下に調整する半導体発光装置の製造方法が提供される。

本発明の他の観点によれば、基板と、前記基板上方に形成され、第１導電型の、発光色に対し透明な第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に積層され、所望の波長の光を発光する活性層と、前記活性層上に積層され、第２導電型の、発光色に対し透明な第２のクラッド層と、を有するＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光装置であって、前記第１のクラッド層、前記活性層および前記第２のクラッド層の３層の平均炭素濃度が７×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である半導体発光装置が提供される。

発光効率が高い半導体発光装置を安定して得ることが出来る。

発明者らは、予備段階として、従来技術に従って半導体発光装置を作製した。

図１に、作製した半導体発光装置の基本構造を示した概略断面図を示す。図１に示した、半導体発光装置の基本構成は次の通りである：
・ｎ型ＧａＡｓ基板からなる半導体基板１、
・基板１上に配置されたｎ型の（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層からなる下部クラッド層２、
・下部クラッド層２上に形成された、ＡｌＧａＩｎＰで構成される活性層３。例えば、井戸層が（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ、障壁層が（Ａｌ_０．５Ｇａ_０．５）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなる量子井戸もしくは多重量子井戸（ＱＷもしくはＭＱＷ）や、（Ａｌ_０．２Ｇａ_０．８）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐからなるバルク活性層、
・活性層３上に形成される、ｐ型の（Ａｌ_０．７Ｇａ_０．３）_０．５Ｉｎ_０．５Ｐ層からなる上部クラッド層４、
・上部クラッド層４上に形成される、ｐ型のＧａＰからなる電流拡散層５、および
・基板１下部に形成される、下部電極６および電流拡散層６上部に形成される上部電極７。

半導体発光装置の作製には、ＭＯＣＶＤ装置を使用し、Ｖ族原料としてホスフィン（ＰＨ_３）、ＩＩＩ族原料として有機金属材料のトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いた。ｎ型クラッド層の形成のためのドーパントとして、シラン（ＳｉＨ_４）、ジエチルテルル（ＤｅＴｅ）もしくはセレン化水素（Ｈ_２Ｓｅ）、ｐ型クラッド層およびｐ型電流拡散層形成のためのドーパントとして、ジメチルジンク（ＤＭＺｎ）、もしくはビスシクロペンタディエニルマグネシウム（ＣＰ_２Ｍｇ）を用いた。キャリアガスとして水素を用い、成長温度６００℃〜９００℃、１０ｋＰａの減圧下で上記半導体発光装置を作製した。

発明者らは、上記構成の半導体発光装置のサンプルＸ１、Ｘ２を作製し、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）装置によりエピタキシャル膜（ここではＡｌＧａＩｎＰ系半導体層）中の組成分析を行った結果、エピタキシャル膜中の炭素濃度が発光効率に相関があることを見出した。炭素は、ＩＩＩ族原料として有機金属材料を用いることにより、取り込まれるものと考えられる。

なお、各サンプルは、下部電極としてＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ、上部電極としてＡｕ−Ｚｎを適切な厚さで真空蒸着し、５００℃で合金化を行った。その後、２５０μｍ角にダイシングし、ステム上に搭載し、ワイヤを装着させた。そうしてデバイス化した半導体発光装置の発光効率を積分球にて測定した。以下で述べる各サンプルの測定方法も同様である。

図２Ａ、図２Ｂに、サンプルＸ１、Ｘ２のＳＩＭＳプロファイルを示し、図３に、サンプルＸ１、Ｘ２の解析結果の表を示す。

なお、図３に示す３層平均炭素濃度は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体層である３層（ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層）に含まれる炭素濃度の平均を算出したものである。ＳＩＭＳプロファイルで３層から検出した炭素を積分し、測定深さと面積から算出した。本件に関わる他のサンプルにおいても上記と同様の方法で行った。

図２において、炭素濃度の低い値が飽和しているように見えるが、その領域に関しては測定装置の検出限界である。

図２、３に示すように、サンプルＸ１は、３層平均炭素濃度が１．３Ｅ＋１７（Ｅｎとは×１０^ｎを指す。ここでは１．３×１０^１７）ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であり、発光効率は１．７％である。一方、サンプルＸ２は、３層平均炭素濃度が２．１Ｅ＋１６（２．１×１０^１６）ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であり、発光効率は３．１％である。

さらに解析を進めた結果、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体層の３層に含まれる炭素分布には、３種類のパターンがあることが分かった。以下にその３パターンを示す。

（１）３層全ての炭素濃度が高い。
（２）ｐ型クラッド層に炭素濃度が高い領域（３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上）が存在する。
（３）ｎ型クラッド層に炭素濃度が高い領域（３×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上）が存在する。

図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃに、上記３パターンの半導体発光装置サンプルＹ１、Ｙ２、Ｙ３（それぞれがパターン（１）、（２）、（３）に対応）のＳＩＭＳプロファイルを示す。なお、サンプルＹ１はサンプルＸ１と同じものである。

図５に、これら３パターンの発光装置の解析結果の表を示す。図６に示すように、３層の平均炭素濃度はいずれのサンプルも高く（１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上）、発光装置の発光効率は、いずれも２％以下と低いことが分かった。また、活性層の炭素濃度は低い値を示しているが、これは、従来技術においても活性層の炭素濃度は低くなるように作られているからであり、それが必ずしも高い発光効率を得るのに寄与していないことが分かった。

以上の解析結果から発明者らは、高い発光効率を得るためには、１層の炭素濃度ではなく、３層の平均炭素濃度が低くなるように半導体発光装置を作製する必要があるという仮説を立てた。

そこで、上記構成の半導体発光装置のサンプル群Ａを作製し、サンプルＸ１、Ｘ２と同様に、二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）装置によりエピタキシャル膜（ここではＡｌＧａＩｎＰ系半導体層）中の組成分析を行った。

図６に、サンプル群Ａの、各サンプルのＡｌＧａＩｎＰ層における平均炭素濃度と発光効率を表したグラフを示す。図６に示すように、サンプル間で発光特性に大きなばらつき（３０％）がある。ここでいうばらつきとは、グラフにおける発光効率の最大値と最小値から、計算式「（最大値−最小値）／最大値」を用いて算出したものである。

図６から、発光効率の高い半導体発光装置では炭素濃度が低いのに対し、発光効率の低い半導体発光装置ではＡｌＧａＩｎＰ中に多量の炭素が存在していることが分かった。良好な発光効率を約２．５％以上とすると、サンプル２およびサンプル８の発光効率が約２．０程度であり、他のサンプルに比べ発光効率が劣っていることが分かる。発光効率が劣っている２つのサンプルの平均炭素濃度はともに７×１０^１６（７Ｅ＋１６）ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より大きいことがグラフから分かる。

発光効率のばらつきに関しては、各層の膜厚、結晶性やキャリア濃度にも要因があると思われるが、発明者らは、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体層である３層の平均炭素濃度に着目した。

不純物の混入には、使用する原材料の純度も関係するため、使用する原材料の選定に注意することは当然であるが、炭素の混入は、有機金属材料に含まれるメチル基やエチル基などの分解により起こるものと考えられる。この分解により生成した炭素を如何にＡｌＧａＩｎＰ中に取り込まれないようにするかが重要となる。そのため、成長圧力、成長温度、Ｖ族およびＩＩＩ族原料のガスバランスなどの成長条件を最適化する必要がある。

発明者らは、ＡｌＧａＩｎＰ中に含まれる炭素濃度とＶ族材料であるホスフィンの反応場への供給量に相関があることを見出した。

そこで、ホスフィン流量を変えて上記構成と同様のＬＥＤサンプル群Ｂを作製し、それぞれのＬＥＤにおけるｎ型クラッド層、ｐ型クラッド層および活性層のＡｌＧａＩｎＰに含まれる平均炭素濃度を測定した。この実験では、成長温度は７７０℃、成長圧力は１０ｋＰａ、ＩＩＩ族有機金属化合物の反応場への供給量は、２００μｍｏｌ／ｍｉｎと一定とした。

図７Ａに、ホスフィン流量と上記ＡｌＧａＩｎＰ層の平均炭素濃度との関係を表したグラフを示し、図７Ｂに、Ｖ族原料（ホスフィン）のＩＩＩ族原料に対する比と、上記ＡｌＧａＩｎＰ層の平均炭素濃度との関係を表したグラフを示す。Ｖ族原料（ホスフィン）のＩＩＩ族原料に対する比は、ホスフィン流量から簡単に算出できる。

図７Ａ、図７Ｂに示すように、ホスフィン流量（Ｖ族原料の、ＩＩＩ族原料に対するモル比）を大きくするに従って、ＡｌＧａＩｎＰ中の平均炭素濃度が減少していることが分かる。

次に、上記成長条件下でホスフィン流量を変化させて上記構成と同様のＬＥＤサンプル群Ｃを作製した。

図８に、サンプル群ＣにおけるＡｌＧａＩｎＰ層中の平均炭素濃度と発光効率との関係を表したグラフを示す。横軸に平均炭素濃度をとる。縦軸に発光効率をとる。図８に示すように、ＡｌＧａＩｎＰ中の平均炭素濃度を減少させることにより、発光効率が向上することが分かる。また、この図から、デバイスの効率が急激に減少するポイント（平均炭素濃度７×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）が存在することが分かる。ＬＥＤが高い発光特性を得るためには、平均炭素濃度を７×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下に抑える必要があることが分かった。

上記の結果から考察すると、発光効率の高いＬＥＤを得るためには、供給するＶ族原料の、ＩＩＩ族原料に対するモル比を６０以上にする必要があると考えられる。

上記実験結果を踏まえ、発明者らは、上述の半導体発光装置と同様の構成で、ＡｌＧａＩｎＰ層中の平均炭素濃度を７×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下に抑えたＬＥＤサンプル群Ｄを新たに作製し、それぞれのサンプルにおける発光効率を調べた。

図９に、サンプル群Ｄにおける各サンプルの発光効率を表したグラフを示す。図９に示すように、ＡｌＧａＩｎＰ層中の平均炭素濃度を７×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下（ここでは４×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下）に抑えることにより、全てのサンプルが良好な発光効率（２．５％以上を良好とした。ここでは全てのサンプルが２．８％以上）を示し、発光効率のばらつきも１０％に低減した。

なお、平均炭素濃度が７×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の半導体発光装置においては、必ずしも平均炭素濃度が低ければ低いほど発光効率が高くなるというわけではない。先述のように、発光効率には各層の膜厚、結晶性やキャリア濃度などの要因があるためと考えられる。

ＳＩＭＳの検出限界は１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度であるが、Ｖ／ＩＩＩ比を１２０以上に調整して、ＳＩＭＳによる炭素濃度がバックグラウンド以下である発光装置を作製した場合、発光装置の発光効率は低くなってしまう。従って、高発光効率が安定して得られる平均炭素濃度は、１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜７×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となる。

なお、上記の作製例に限らず、他の方法や形態により作製した半導体発光装置であっても、ＡｌＧａＩｎＰ層中の平均炭素濃度を１×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３〜７×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３に調整すれば、発光効率が高い半導体発光装置を安定して得ることが出来るであろう。

発明者らは、特開２００６−８６３６１号公報に記載の方法で、例えば導電性基板を有する支持体の接続層と、成長基板上に上記構成の積層構造体を成長させた積層体の金属層とを接続して接続体を得た後、成長基板を除去して電極を取り付けた半導体発光装置のサンプルＺ１、Ｚ２（サンプルＺ１の平均炭素濃度は１×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３、サンプルＺ２の平均炭素濃度は３×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）を作製した。サンプルＺ１およびＺ２の導電性基板にはＳｉ基板を用い、成長基板にはＧａＡｓ基板を用いた。また、上記サンプル群と同様に、下部電極としてＰｔ（白金）、上部電極としてＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉを適切な厚さで真空蒸着し、５００℃で合金化を行った。その後、３５０μｍ角にダイシングし、デバイス化した半導体発光装置の発光効率を上記と同様の方法で測定した。

サンプルＺ１、Ｚ２の発光効率を測定ところ、サンプルＺ１の発光効率は４％であったのに対し、サンプルＺ２の発光効率は６．５％であり、上記製造方法により作製したサンプルＺ２の方が高い発光効率を示した。このように、本発明の実施例による製造方法は半導体基板に直接成長させるタイプの半導体発光装置だけでなく、他の基板に貼り合せるタイプの半導体発光装置にも有効である。

図１０にＬＥＤの他の構成を表した概略断面図を示す。上記実施例では、上部と下部に電極を有したＬＥＤを示したが、図１０に示すように、上部の第１のクラッド層４および活性層３をエッチングにより部分的に除去し、上部から２つの電極（クラッド層２上の電極８と、クラッド層４上の電極９）をとるタイプのＬＥＤの構成でも良い。この場合、基板１は導電性がないものでも構わない。また、永久基板として、活性層に対して透明な材料を選択すれば、図１０の構造を上下逆転させ、基板側から光を取り出すことも可能である。また、第１または第２の少なくとも一方に電流拡散層を設け、電流を拡散させる機能を具備したＬＥＤであっても、本件実施例による効果は有効である。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層の位置を入れ替え、それらに対応して基板や電流拡散層の材料を変更することは当業者であれば容易であると考えられる。

その他、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図１は、本件に関わる半導体発光装置の基本構造を表した概略断面図である。 図２Ａ、図２Ｂは、サンプルＸ１、Ｘ２のＳＩＭＳプロファイルである。 図３は、半導体発光装置サンプルＸ１、Ｘ２のＳＩＭＳによる解析結果の表である。 図４Ａ〜図４Ｃは、半導体発光装置サンプルＹ１、Ｙ２、Ｙ３のＳＩＭＳプロファイルである。 図５は、半導体発光装置サンプルＹ１、Ｙ２、Ｙ３のＳＩＭＳによる解析結果の表である。 図６は、従来技術に従って作製したサンプル群Ａの、サンプル毎のＡｌＧａＩｎＰ層における平均炭素濃度（縦軸目盛りのＥｎとは×１０^ｎを指す）と発光効率を表したグラフである。 図７Ａは、ホスフィン流量と上記ＡｌＧａＩｎＰ層の平均炭素濃度との関係を表したグラフであり、図７Ｂは、Ｖ族原料（ホスフィン）のＩＩＩ族原料に対する比と、上記ＡｌＧａＩｎＰ層の平均炭素濃度との関係を表したグラフである。 図８は、サンプル群ＣにおけるＡｌＧａＩｎＰ層中の平均炭素濃度と発光効率との関係を表したグラフである。 図９は、サンプル群Ｄにおける各サンプルの発光効率を表したグラフである。 図１０は、ＬＥＤの他の構成を表した概略断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 下部クラッド層
３ 活性層
４ 上部クラッド層
５ 電流拡散層
６ 下部電極
７ 上部電極
８、９ 電極

Claims (3)

1. 基板上方に第１導電型の第１のクラッド層を成長させる工程と、
   前記第１のクラッド層の上に活性層を成長させる工程と、
   前記活性層の上に第２導電型の第２のクラッド層を成長させる工程と
   を含むＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光装置の製造方法であって、
   ＭＯＣＶＤ装置に供給する、Ｖ族原料のＩＩＩ族原料に対する比（Ｖ／ＩＩＩ）を６０以上に調整することにより、前記第１のクラッド層、前記活性層および前記第２のクラッド層の３層の平均炭素濃度を７×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下に調整する半導体発光装置の製造方法。
2. 前記Ｖ族原料としてホスフィン（ＰＨ_３）を用い、前記ＩＩＩ族原料として有機金属材料トリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）を用いる請求項１記載の半導体発光装置の製造方法。
3. 基板と、
   前記基板上方に形成され、第１導電型の、発光色に対し透明な第１のクラッド層と、
   前記第１のクラッド層上に積層され、所望の波長の光を発光する活性層と、
   前記活性層上に積層され、第２導電型の、発光色に対し透明な第２のクラッド層と、
   を有するＡｌＧａＩｎＰ系の半導体発光装置であって、
   前記第１のクラッド層、前記活性層および前記第２のクラッド層の３層の平均炭素濃度が７×１０^１６ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である半導体発光装置。

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