JP2009176920A - ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ及びその成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体発光素子用エピタキシャルウェハの面内の白濁が少なく、表面が平坦であり、半導体発光素子の生産性の向上を図ったＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハを提供する。
【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、少なくともｎ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層４、ＡｌＧａＩｎＰ系活性層５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層６、およびＧａＰからなる電流分散層７を順次積層したＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、ＧａＰからなる電流分散層７は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層６上に０．３〜１．２ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で成長させた下部電流分散層７ａと、その下部電流分散層７ａ上に１．２〜３．０ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で成長させた上部電流分散層７ｂとからなるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ及びその成長方法に関する。

従来、高輝度半導体発光素子用エピタキシャルウェハは、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）などを用いて作製されている。この方法において、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハを成長させる際には、気相成長装置内に設置した基板を加熱し、各エピタキシャル層の原料となるIII族有機金属原料ガスとＶ族原料ガス、またキャリアガスおよびドーパント原料ガスを成長炉内に導入し、炉内で混合ガスを熱分解させ、基板上に結晶膜を堆積成長させる。

従来のＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子の作製方法の１つとして、まず、ＭＯＶＰＥ法によってｎ型ＧａＡｓ基板上にｎ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層、発光部となるアンドープＡｌＧａＩｎＰ系活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層、および電流分散層を積層させ、その後ｐ型電流分散層の表面の一部に円形の表面側電極を、ｎ型ＧａＡｓ基板裏面全体に裏面側電極を設け、電極形成後、エピタキシャルウェハを切断し、発光ダイオードチップを作製する方法がある。

また、このプロセスの中で、光の取り出し効率を高めるために、エピタキシャルウェハの表面を粗面化するという方法がとられている。粗面化の方法に関しては、特許文献１に示すものがある。

上述のエピタキシャルウェハにおいて、円形の表面側電極から注入されたキャリアは、ＡｌＧａＩｎＰ系活性層に注入され発光する。その際に、表面側電極とＡｌＧａＩｎＰ系活性層との間のエピタキシャル層の抵抗が高い場合には、キャリアが電極直下の部分のＡｌＧａＩｎＰ系活性層のみに注入されるようになり、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層における電流の広がりが小さく、電極の直下のみが発光領域となる。そうすると、その部分で発光した光は、電極に遮られ、チップから出てこなくなり、結果、発光効率を高めることができない。

そこで、従来の半導体発光素子では、ＡｌＧａＩｎＰ系活性層またはｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層よりもバンドギャップの大きい電流分散層を設け、電流がｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層へ到達する前に、電流分散層で拡散されるようにし、ＡｌＧａＩｎＰ系活性層またはｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層全体に電流が流れるようにしている。電流分散層の形成方法に関する従来技術としては、特許文献２に示すものがある。

特開２００７−８８３５１号公報 特開２０００−２１６４３０号公報

しかしながら、エピタキシャルウェハでは、ＡｌＧａＩｎＰとＧａＰの格子定数の差が大きいことから、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層とＧａＰからなる電流分散層との間には大きな格子不整合がある。このような大きな格子不整合がある場合、格子不整合がある界面より上の層には結晶欠陥が発生し、その結果、エピタキシャルウェハの面内は不均一に白濁し、表面は凹凸になってしまう。

面内が不均一に白濁したエピタキシャルウェハに粗面化処理を行うと、均一にウェハ表面を荒らすことができなくなる。その結果、チップにした際、発光強度の高いものと低いものができ、チップ作製プロセスでの歩留りを低下させる原因となる。

また、電流分散層の表面が凹凸であるエピタキシャルウェハの表面に電極を形成すると、電極の密着性が悪く、電極剥がれが生じ、生産性が低下するといった問題もあった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、半導体発光素子用エピタキシャルウェハの面内の白濁が少なく、表面が平坦であり、半導体発光素子の生産性の向上を図ったＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ及びその成長方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、少なくともｎ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ系活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層、およびＧａＰからなる電流分散層を順次積層したＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記ＧａＰからなる電流分散層は、前記ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層上に０．３〜１．２ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で成長させた下部電流分散層と、その下部電流分散層上に１．２〜３．０ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で成長させた上部電流分散層とからなるＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハである。

請求項２の発明は、前記下部電流分散層の厚さが５０ｎｍ以上である請求項１記載のＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハである。

請求項３の発明は、加熱されたｎ型ＧａＡｓ基板上に必要とするIII族原料ガス、Ｖ族原料ガス、キャリアガス、およびドーパント原料ガスを供給し、前記ｎ型ＧａＡｓ基板上に少なくともｎ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ系活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層、およびＧａＰからなる電流分散層を順次積層するＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハの成長方法において、前記ＧａＰからなる電流分散層を、まず０．３〜１．２ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で成長させ、その後１．２〜３．０ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で成長させるＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハの成長方法である。

請求項４の発明は、前記ＧａＰからなる電流分散層を、まず０．３〜１．２ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で５０ｎｍ以上の厚さに成長させ、その後成長速度を１．２〜３．０ｎｍ／ｓｅｃに切り替えて成長させる請求項３記載のＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハの成長方法である。

本発明によれば、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層とＧａＰからなる電流分散層との格子定数不整合を緩和し、エピタキシャルウェハの白濁や表面の凹凸を減ずることができ、さらに電流分散層の積層にかかる時間を短縮できる。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本発明の好適な実施形態を示すＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハの断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ１は、Ｓｉをドープしたｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ＳｅをドープしたＧａＡｓバッファ層３、Ｓｅをドープしたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層４、発光部となるアンドープＡｌＧａＩｎＰ系活性層５、Ｍｇをドープしたｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層６、およびＧａＰからなる電流分散層７を順次積層したものである。

電流分散層７は、電流を分散させる役割を担うとともに、窓層としての役割も有する。つまり、電流分散層７は発光した光に対して透明であることが要求される。これらを満たす材料としては、ＧａＰ、ＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰなどがあるが、本実施形態では、最も透明度が高く、低抵抗化が可能なＧａＰを電流分散層７として用いた。

電流分散層７は、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層６上に０．３〜１．２ｎｍ／ｓｅｃの成長速度でＧａＰを成長させた下部電流分散層７ａと、その下部電流分散層７ａ上に１．２〜３．０ｎｍ／ｓｅｃの成長速度でＧａＰを成長させた上部電流分散層７ｂとからなる。

下部電流分散層７ａを０．３〜１．２ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で成長させるのは、下部電流分散層７ａの成長速度が０．３ｎｍ／ｓｅｃ未満であると、下部電流分散層７ａの成長が遅くなり生産性が低くなってしまい、１．２ｎｍ／ｓｅｃを超えると、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層６との格子不整合により結晶欠陥が多数発生し、下部電流分散層７ａの表面が凸凹し、白濁してしまうためである。

上部電流分散層７ｂを１．２〜３．０ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で成長させるのは、上部電流分散層７ｂの成長速度が１．２ｎｍ／ｓｅｃ未満であると、上部電流分散層７ｂの成長が遅くなり生産性が低くなってしまい、３．０ｎｍ／ｓｅｃを超えるとＧａＰの横方向への成長が阻害されて結晶欠陥が多く発生し、上部電流分散層７ｂの表面状態が悪化して白濁してしまうためである。

また、下部電流分散層７ａの厚さは５０ｎｍ以上であるとよい。これは、下部電流分散層７ａの厚さが５０ｎｍ未満であると、下地となるｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層６との格子不整合を緩和しきれずに表面欠陥（突起）が発生してしまい、表面平坦性が悪化してしまうためである。表面欠陥が発生すると、チップ作製プロセスで電極を形成する際に電極の剥がれが生じる場合がある。

次に、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハの成長方法を説明する。

まず、ＭＯＶＰＥ法を用いて、気相成長装置内で６５０℃に加熱したＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ＳｅをドープしたＧａＡｓバッファ層３、Ｓｅをドープしたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層４、発光部となるアンドープＡｌＧａＩｎＰ系活性層５、およびＭｇをドープしたｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層６を順次積層する。

このとき、キャリアガスとして水素、III族原料ガスとして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）、Ｖ族原料ガスとしてＡｓＨ₃（アルシン）、ＰＨ₃（ホスフィン）、ドーパント原料ガスとしてＨ₂Ｓｅ（セレン化水素）を必要に応じて供給する。

その後、７１０℃まで加熱し、０．３〜１．２ｎｍ／ｓｅｃの成長速度でＧａＰを成長させて下部電流分散層７ａを形成し、下部電流分散層７ａが５０ｎｍの厚さを超えた時点で成長速度を１．２〜３．０ｎｍ／ｓｅｃに切り替えて上部電流分散層７ｂを形成する。

上部電流分散層７ｂを形成した後、この上部電流分散層７ｂの表面を粗面化処理し、ＡｌＧａＩｎＰ系活性層５で発光した光の取り出し効率を高めるようにしてもよい。上部電流分散層７ｂ表面の粗面化処理は、例えば、硝酸とメタノールの混合液を用いたウェットエッチングにより行うとよい。

以上により、本実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ１が得られる。

本実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ１を用いて半導体発光素子を作製する際は、まず、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ１の表面（上部電流分散層７ｂ表面）の一部に円形の表面側電極を設け、ｎ型ＧａＡｓ基板２裏面全体に裏面側電極を設ける。表面側電極としては、例えば、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕなどの積層電極を用いるとよく、裏面側電極としては、例えば、ＡｕＺｎ／Ｎｉ／ＡｕやＴｉ／Ｐｔ／Ａｕなどの積層電極を用いるとよい。

表面側電極および裏面側電極を形成した後、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ１を切断すると、半導体発光素子（チップ）が得られる。

本実施形態の効果を説明する。

本実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ１では、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層６上に０．３〜１．２ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で下部電流分散層７ａを成長させ、その下部電流分散層７ａ上に１．２〜３．０ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で上部電流分散層７ｂを成長させている。

下部電流分散層７ａを０．３〜１．２ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で成長させることにより、ＡｌＧａＩｎＰとＧａＰとの格子不整合を緩和し、格子不整合によるＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ１の白濁や表面の凸凹を減ずることができる。

これにより、電流分散層７の表面が均一かつ平坦となるため、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ１を用いて半導体発光素子を作製する際に、半導体発光素子の発光強度の不均等や、表面の凹凸による電極剥がれの発生を抑制でき、歩留りの低下を改善できる。

また、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ１では、電流分散層７の成長速度を途中で切り替え、下部電流分散層７ａ上に上部電流分散層７ｂを１．２〜３．０ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で成長させている。これにより、電流分散層７の積層にかかる時間を短縮でき、生産性を高めることができる。

電流分散層７を一貫して０．３〜１．２ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で成長させた場合でも、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハの表面は平坦となり、面内の曇り度合い（Ｈａｚｅ）も表面平坦測定装置（サーフスキャン）で測定したところ６８００ｐｐｍと低くなる。しかし、電流分散層７を形成する時間が従来の３倍近くかかってしまい、本実施形態と比較して生産性が低下してしまう。

さらに、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ１では、下部電流分散層７ａの厚さを５０ｎｍ以上としている。これにより、下地となるｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層６との格子不整合を緩和しきれずに表面欠陥（突起）が発生してしまうことがなくなり、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ１の表面の平坦性を向上することができる。よって、チップ作製プロセスで電極を形成する際の電極の剥がれを防止できる。

（実施例）
ＭＯＶＰＥ法を用いて、６５０℃に加熱したＳｉドープｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ＳｅをドープしたＧａＡｓバッファ層３、Ｓｅをドープしたｎ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層４、アンドープＡｌＧａＩｎＰ系活性層５、Ｍｇドープｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層６、ＧａＰからなる電流分散層７を順次積層し、図１のＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ１を成長させた。

このとき、ＧａＰからなる電流分散層７は、まず０．７ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で下部電流分散層７ａを１００ｎｍ成長し、その後２．２ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で上部電流分散層７ｂを積層して形成した。

本実施例では、キャリアガスとして水素、III族原料ガスとして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）、Ｖ族原料ガスとしてＡｓＨ₃（アルシン）、ＰＨ₃（ホスフィン）、ドーパント原料ガスとしてＨ₂Ｓｅ（セレン化水素）を必要に応じて供給した。

（比較例１）
図２に示すように、比較例１として、一貫して１．４ｎｍ／ｓｅｃの成長速度でＧａＰを成長させて電流分散層２２を形成した半導体発光素子用エピタキシャルウェハ２１を作製した。その他の条件は実施例と同じとした。

（比較例２）
図３に示すように、比較例２として、下部電流分散層７ａ上に４．０ｎｍ／ｓｅｃの成長速度でＧａＰを成長させて上部電流分散層３２を形成した半導体発光素子用エピタキシャルウェハ３１を作製した。その他の条件は実施例と同じとした。

（比較例３）
図４に示すように、比較例３として、０．７ｎｍ／ｓｅｃの成長速度でＧａＰを成長させて厚さ３０ｎｍの下部電流分散層４２を形成し、半導体発光素子用エピタキシャルウェハ４１を作製した。その他の条件は実施例と同じとした。

比較例１の半導体発光素子用エピタキシャルウェハ２１の表面状態は、中心が強く白濁しており、外周側では薄い白濁が見られた。この半導体発光素子用エピタキシャルウェハ２１を表面平坦測定装置（サーフスキャン）で測定したところ、曇り度合いを表す数値（Ｈａｚｅ）は１４０００ｐｐｍであった。

また、比較例１の半導体発光素子用エピタキシャルウェハ２１に粗面化処理を行い、その後チップ作製プロセスにかけてｎ型電極とｐ型電極を形成し、２０ｍＡの電流を流して発光させて、その発光強度をウェハ面内で比較した。その結果、比較例１の半導体発光素子用エピタキシャルウェハ２１では、発光強度が面内で９０〜１２５ｍｃｄとばらつきがあった。

比較例２の半導体発光素子用エピタキシャルウェハ３１の表面状態は、全体が白く白濁していた。顕微鏡で観察したところ欠陥が無数に発生し、表面が凸凹状でチップ作製プロセスを行える状態ではなかった。

比較例３の半導体発光素子用エピタキシャルウェハ４１の表面状態を顕微鏡で観察すると、表面に多数の欠陥が生じ、凸凹状態であった。この半導体発光素子用エピタキシャルウェハ４１に粗面化処理を行い、チップ作製プロセスにかけた。その結果、電極形成過程において表面欠陥が原因となり多数の電極剥がれが生じた。

電極剥がれのなかった半導体発光素子用エピタキシャルウェハ４１の発光強度を２０ｍＡの電流を流して発光させ、測定したところ、９０〜１２０ｍｃｄとばらつきがあった。これは、ＧａＰからなる電流分散層４３のうち０．７ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で成長した層（下部電流分散層４２）の厚さが５０ｎｍより薄い場合、ＡｌＧａＩｎＰとＧａＰの格子不整合が十分に緩和されないためである。

比較例１〜３に対し、実施例のＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ１の表面は均一に平坦であり、サーフスキャンにて曇り度合いを測定したところ、７６００ｐｐｍと比較例１の半導体発光素子用エピタキシャルウェハ２１の半分程度であった。また、実施例のＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ１をチップ作製プロセスにかけ、２０ｍＡの電流を流して発光させ、発光強度を測定したところ、実施例のＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ１は、１１４〜１２１ｍｃｄとウェハ面内で均一な発光強度を示した。

本発明の好適な実施形態を示すＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハの断面図である。 比較例の半導体発光素子用エピタキシャルウェハを示す断面図である。 比較例の半導体発光素子用エピタキシャルウェハを示す断面図である。 比較例の半導体発光素子用エピタキシャルウェハを示す断面図である。

符号の説明

１ ＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ
２ ｎ型ＧａＡｓ基板（Ｓｉドープ）
３ ＧａＡｓバッファ層（Ｓｅドープ）
４ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層（Ｓｅドープ）
５ アンドープＡｌＧａＩｎＰ系活性層
６ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層（Ｍｇドープ）
７ 電流分散層
７ａ 下部電流分散層
７ｂ 上部電流分散層

Claims (4)

1. ｎ型ＧａＡｓ基板上に、少なくともｎ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ系活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層、およびＧａＰからなる電流分散層を順次積層したＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
   前記ＧａＰからなる電流分散層は、前記ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層上に０．３〜１．２ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で成長させた下部電流分散層と、その下部電流分散層上に１．２〜３．０ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で成長させた上部電流分散層とからなることを特徴とするＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
2. 前記下部電流分散層の厚さが５０ｎｍ以上である請求項１記載のＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハ。
3. 加熱されたｎ型ＧａＡｓ基板上に必要とするIII族原料ガス、Ｖ族原料ガス、キャリアガス、およびドーパント原料ガスを供給し、前記ｎ型ＧａＡｓ基板上に少なくともｎ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層、ＡｌＧａＩｎＰ系活性層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ系クラッド層、およびＧａＰからなる電流分散層を順次積層するＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハの成長方法において、
   前記ＧａＰからなる電流分散層を、まず０．３〜１．２ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で成長させ、その後１．２〜３．０ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で成長させることを特徴とするＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハの成長方法。
4. 前記ＧａＰからなる電流分散層を、まず０．３〜１．２ｎｍ／ｓｅｃの成長速度で５０ｎｍ以上の厚さに成長させ、その後成長速度を１．２〜３．０ｎｍ／ｓｅｃに切り替えて成長させる請求項３記載のＡｌＧａＩｎＰ系半導体発光素子用エピタキシャルウェハの成長方法。

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