JP2009224551A - 化合物半導体基板及びそれを用いた発光素子並びに化合物半導体基板の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】少なくとも、AlGaInPからなる第一導電型クラッド層と活性層と第二導電型クラッド層とを有する発光層と、該発光層の片方の主表面側に形成された第一の電流拡散層と、前記発光層のもう一方の主表面側に形成された第二の電流拡散層とを有する化合物半導体基板であって、前記発光層と前記第二の電流拡散層の間に、前記第一導電型クラッド層よりバンドギャップの小さい(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦1、0<y≦1)層が形成されたものであることを特徴とする化合物半導体基板。
【選択図】図1
Description
例えばGaAs単結晶基板上に、AlGaInPからなる発光層部とGaPからなる電流拡散層(以下、単にGaP層ということもあり)とを形成した発光素子が知られている。このGaP電流拡散層は、発光層部側が有機金属気相成長法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy法、以下単にMOVPE法という)により比較的薄く形成された後、ハイドライド気相成長法(Hydride Vapor Phase Epitaxy法、以下単にHVPE法という)により比較的厚く形成され、例えば、全体として200μm程度の厚さにまでGaPエピタキシャル層が成長されることがある。
また、GaAs単結晶基板を除去した後、GaP基板を接合する代わりにGaP層をエピタキシャル成長する技術も開示されている(特許文献1参照)。
また、接合に代えてGaP層をエピタキシャル成長する技術では、コストや剥離の問題は解消されるものの、発光素子に通電する際の電気伝導性が悪化することにより消費電力が増加するという問題があった。
発光層(第一導電型クラッド層)と第二の電流拡散層とが直接接していると、その接続界面に存在するエネルギー障壁により電気伝導度が悪化し消費電力が増加してしまうが、発光層と第二電流拡散層の間に、第一導電型クラッド層よりバンドギャップの小さいAlGaInP下部層を設けることによって、第一導電型クラッド層と第二の電流拡散層の間でのエネルギー障壁を低減させることができる。そして、発光素子に電流を通電する際の電気伝導性を良好なものとすることができ、よって高輝度化と消費電力の低減を実現した発光素子を形成することのできる化合物半導体基板となっている。
このように第一および第二の電流拡散層を、エピタキシャル成長によって形成されたものとすることによって、貼り合わせによって形成されたものに比べて剥がれにくく、また第一導電型クラッド層と第二の電流拡散層の間および第二導電型クラッド層と第一の電流拡散層の間の不純物量を減少させることができ、これによって、発光素子として電流を印加した場合に順方向電圧をより低いものとすることができる。
このように第一および第二の電流拡散層を、光透過性のGaPまたはGaAsPからなるものとすることで発光素子の輝度をより高めることができる。
このように、AlGaInP下部層の格子定数がGaAsに格子整合しているものであれば、例えばAlGaInP下部層をエピタキシャル成長させて形成する際にGaAs基板上に安定して形成することができる。
このように、AlGaInP下部層のAlの混晶比xを0.1以下とすることによって、更に電気伝導性が良好な化合物半導体基板とすることができ、よって消費電力をより抑えることが可能となる。
さらにAlGaInP下部層のAlの混晶比xを0とすることで、極めて電気伝導性の良好な化合物半導体基板とすることができる。
このように、前述した化合物半導体基板を用いて製造された発光素子は、高輝度でかつ電気伝導性が良好で消費電力を抑えたものとすることができる。
このように、GaPまたはGaAsPを第一の電流拡散層および第二の電流拡散層として気相成長させることによって、該電流拡散層を光透過性のものとすることができ、よってより輝度の高い発光素子用の化合物半導体基板を製造することができる。
このように、AlGaInP下部層の格子定数がGaAs基板と格子整合するものとすることによって、GaAs基板上に安定してAlGaInP下部層をエピタキシャル成長させることができる。
このように、AlGaInP下部層をAlの混晶比xを0.1以下としてエピタキシャル成長させることによって、更に電気伝導性が良好である、つまり消費電力を抑えることのできる発光素子用の化合物半導体基板の製造方法とすることができる。
さらにAlGaInP下部層を、Alの混晶比を0としてエピタキシャル成長させることで、極めて電気伝導性の良好な化合物半導体基板を製造することができる。
前述のように、GaAs基板の替わりにGaP層がエピタキシャル成長された化合物半導体基板において、発光素子に通電する際の電気伝導度が良好な化合物半導体基板とそれを用いた発光素子並びに化合物半導体基板の製造方法の開発が待たれていた。
本発明の化合物半導体基板10は、少なくとも、n型の第二の電流拡散層18、(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦1、0<y≦1)層(AlGaInP下部層)14、発光層15、p型の第一の電流拡散層17とを有する。このうち発光層15は、少なくともAlGaInPからなる第一導電型クラッド層(n型AlGaInPクラッド層)15aと活性層15bと第二導電型クラッド層(p型AlGaInPクラッド層)15cとからなる。また第一の電流拡散層17は第二導電型クラッド層15c側にp型GaP接続層16を有している。
この(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦1、0<y≦1)層14のバンドギャップを第一導電型クラッド層15aよりも小さいものとするには、例えば、AlGaInPからなる第一導電型クラッド層(AlaGa1−a)bIn1−bP(0≦a≦1、0<b≦1)のAlの混晶比a及びInの混晶比bと、(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦1、0<y≦1)層14のAlの混晶比x及びInの混晶比yとの関係が、a>x、b=yを満たすようなものとすることによって達成することができる。ここで、Inの混晶比を変えてb>yとする事によってもバンドギャップを小さくする事はできるが、格子定数が合わなくなるため、Inの混晶比は変えずにAlの混晶比を変えるのが好ましい。
このように第一および第二の電流拡散層を、エピタキシャル成長によって形成されたものとすることによって、貼り合わせによって形成された場合の化合物半導体基板に比べて該層が剥がれにくいものとすることができる。また、第一導電型クラッド層と第二の電流拡散層の間、および第二導電型クラッド層と第一の電流拡散層の間の不純物濃度を減少させることができ、これによって、発光素子として電流を印加した場合に順方向電圧が増加する事をより抑制する、つまりより電気伝導度を良好にすることができる。
第一の電流拡散層や第二の電流拡散層を光を透過させるGaPまたはGaAsPとすることによって、活性層から発せられた光を該電流拡散層にて吸収されることなく発光素子外へ放出させることができるので、発光輝度をより強いものとすることができる。
AlGaInP下部層の格子定数がGaAsと格子整合しているものであれば、例えば、AlGaInP下部層をGaAs基板上にエピタキシャル成長させることによって形成する場合に安定して成長させることができ、また結晶性の良好なものとすることができる。
上述のような混晶比のAlGaInP下部層とすることによって、第二の電流拡散層と第一導電型クラッド層の間のエネルギー障壁をより小さいものとすることができるため、電気伝導性が更に良好なものとすることができ、よって消費電力を更に低減させることのできる発光素子とすることのできる化合物半導体基板となる。
先ず、図2の工程1に示すように、成長用単結晶基板としてn型のGaAs基板11を準備し、洗浄した後にMOCVDのリアクターに入れる。
次に、工程2に示すように、先に導入したGaAs基板11上に、n型GaAsバッファ層12、更にn型AlInPエッチングストップ層13をエピタキシャル成長させる。
次に、工程3に示すように、n型AlInPエッチングストップ層13の表面上に、MOCVD法により、n型の(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦1、0<y≦1)層(AlGaInP下部層)14をエピタキシャル成長させる。このときAlGaInP下部層14は、次の工程4で成長させる第一導電型クラッド層15aよりもバンドギャップが小さくなるような組成とする。バンドギャップを小さくする組成としては、第一導電型クラッド層よりもInの混晶比を増やす事でも可能となるが、格子定数が合わなくなるため、Inの混晶比は変えずにAlの混晶比を減らす事が好ましい。
このような混晶比のAlGaInP下部層をGaAs基板上にエピタキシャル成長させることによって、後に形成する第二の電流拡散層18と第一導電型クラッド層15aの間のエネルギー障壁を更に低減させることができるため、電気伝導性がより良好な化合物半導体基板とすることができる。よって消費電力を更に低減させることのできる発光素子用の化合物半導体基板を製造することができる。
GaAs基板とAlGaInP下部層が格子整合しているものであれば、AlGaInP下部層をエピタキシャル成長させる際に、安定して成長させることができ、また結晶性が良好なものとすることができる。
次に、工程4に示すように、AlGaInP下部層14の表面上に、n型の第一導電型クラッド層15a、活性層15b、p型の第二導電型クラッド層15cをこの順でMOCVD法でエピタキシャル成長させて発光層15を形成する。各層の厚みは第一導電型クラッド層15aを0.8μm以上4μm以下(例えば1μm)、活性層15bを0.4μm以上2μm以下(例えば0.6μm)、第二導電型クラッド層15cを0.8μm以上4μm以下(例えば1μm)とすることができる。
次に、工程5に示すように、厚さ0.05〜1μm(例えば0.5μm)程度のp型GaP接続層16を第二導電型クラッド層15cの表面上にMOCVD法によりヘテロエピタキシャル成長させて、MOエピタキシャル基板を得る。
上記工程2〜5で形成したこれら各層のエピタキシャル成長で使用するAl、Ga、In、Pの各成分源となる原料ガスとしては、
Al源ガス:トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリエチルアルミニウム(TEAl)など、
Ga源ガス:トリメチルガリウム(TMGa)、トリエチルガリウム(TEGa)など、
In源ガス:トリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルインジウム(TEIn)など、
P源ガス:トリメチルリン(TMP)、トリエチルリン(TEP)、ホスフィン(PH3)、などが挙げられる。
次に、工程6に示すように、p型GaP接続層16上に第一の電流拡散層17(窓層)を形成する。
この第一の電流拡散層17は、GaPまたはGaAsPとすることが好ましい。以下、第一の電流拡散層17としてGaP層を例に挙げ説明する。
工程5で得たMOエピタキシャル基板をMOCVDのリアクターから取り出し、HVPE法のリアクター内に入れる。そして、Znをドープし、p型GaP接続層16表面上にp型GaPの第一の電流拡散層17を5μm以上200μm以下(例えば40μm)の厚さでホモエピタキシャル成長させる。
Ga(g)+HCl(g)→GaCl(g)+1/2H2(g)・・・(1)
また、V族元素であるPは、PH3をキャリアガスであるH2とともに基板上に供給し、p型ドーパントであるZnは、DMZn(ジメチル亜鉛)の形で供給する。GaClはPH3との反応性に優れ、下記(2)式の反応により、効率よく電流拡散層を成長させることができる。
GaCl(g)+PH3(g)→GaP(s)+HCl(g)+H2(g)・・・(2)
次に、工程7に示すように、GaAs基板11のAlGaInP下部層14や発光層15、第一の電流拡散層16が形成された表面とは反対側の表面を研磨して周辺のノジュールを除去した後、GaAs基板11、n型GaAsバッファ層12、n型AlInPエッチングストップ層13を除去する。これによりAlGaInP下部層が露出する。
この除去は、例えば、エッチングとすることができる。エッチング液として、例えば、硫酸/過酸化水素混合液を用いることができる。
次に、工程8に示すように、GaAs基板11を除去することで露出したAlGaInP下部層14の表面に、第二の電流拡散層18を前述のHVPE法を用い、エピタキシャル成長により形成することで、化合物半導体基板10を得ることができる。
第一の電流拡散層や第二の電流拡散層として、光を透過するGaPまたはGaAsPを気相成長させることによって、発光層での光が当該電流拡散層で吸収されることなく素子外に取り出すことができるため、発光素子とした際に高輝度化を達成することのできる化合物半導体基板を製造することができる。
(実施例1−6、比較例)
前記した本発明の化合物半導体基板の製造方法である図2の工程に従い、厚さ280μmのGaAs単結晶基板上にn型GaAsバッファ層を0.5μm、更にn型AlInPエッチングストップ層を0.5μmエピタキシャル成長させた。
次いで、GaAs基板に格子整合したAlGaInP下部層をエピタキシャル成長により形成した。
この時形成したAlGaInP下部層の組成は後述する表1に挙げたとおりである。
更に、p型第二導電型クラッド層上に厚さ0.1μmのp型GaP接続層を成長させて、MOエピタキシャル基板を得た。なお、上記エピタキシャル成長の原料ガスとしてはトリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、ホスフィン(PH3)、アルシン(AsH3)を使用した。
次にGaAs基板、n型GaAsバッファ層、AlInPエッチングストップ層を硫酸・過酸化水素等の薬液によりエッチングして除去した後、HVPEリアクターに設置した。そしてHVPE法にてn型AlGaInP下部層上に第二の電流拡散層として200μmのn形GaP窓層をエピタキシャル成長により形成して、化合物半導体基板を製造した。
本発明の実施例と比較例において、AlGaInP下部層のAlの組成比xと発光素子の順方向電圧Vfの値の関係を示したグラフを図3に示す。
これに対し、AlGaInP下部層のAlの混晶比xが第一導電型クラッド層と同じ(V=0.7)の比較例の化合物半導体基板を用いた発光素子の順方向電圧はVf=2.85Vであり、Alの混晶比xが第一導電型クラッド層より小さい実施例1〜6の化合物半導体基板を用いた発光素子のVfに比べて大きな値となっており、電気伝導性がさほど良好でないものであることがわかった。
Claims (12)
- 少なくとも、AlGaInPからなる第一導電型クラッド層と活性層と第二導電型クラッド層とを有する発光層と、該発光層の片方の主表面側に形成された第一の電流拡散層と、前記発光層のもう一方の主表面側に形成された第二の電流拡散層とを有する化合物半導体基板であって、
前記発光層と前記第二の電流拡散層の間に、前記第一導電型クラッド層よりバンドギャップの小さい(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦1、0<y≦1)層が形成されたものであることを特徴とする化合物半導体基板。 - 前記第一の電流拡散層および前記第二の電流拡散層は、エピタキシャル成長により形成されたものであることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体基板。
- 前記第一の電流拡散層および前記第二の電流拡散層は、GaPまたはGaAsPからなるものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の化合物半導体基板。
- 前記(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦1、0<y≦1)層は、その格子定数がGaAsに格子整合しているものであることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の化合物半導体基板。
- 前記(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦1、0<y≦1)層は、混晶比xがx≦0.1の関係を満たすものであることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の化合物半導体基板。
- 前記(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦1、0<y≦1)層は、混晶比xがx=0の関係を満たすものであることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の化合物半導体基板。
- 請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の化合物半導体基板を用いて製造されたものであることを特徴とする発光素子。
- 少なくとも、GaAs基板上に後に形成する第一導電型クラッド層よりバンドギャップの小さい(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦1、0<y≦1)層をエピタキシャル成長させる工程と、該(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦1、0<y≦1)層の主表面にAlGaInPからなる前記第一導電型クラッド層と活性層と第二導電型クラッド層をこの順序でエピタキシャル成長させて発光層を形成する工程と、該発光層の主表面に第一の電流拡散層を気相成長させる工程と、前記GaAs基板を除去する工程と、該GaAs基板が除去された側の前記(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦1、0<y≦1)層の主表面に第二の電流拡散層をエピタキシャル成長させる工程とを有することを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
- 前記第一の電流拡散層および前記第二の電流拡散層は、GaPまたはGaAsPとすることを特徴とする請求項8に記載の化合物半導体基板の製造方法。
- 前記(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦1、0<y≦1)層は、前記GaAs基板と格子整合するものとすることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の化合物半導体基板の製造方法。
- 前記(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦1、0<y≦1)層の混晶比xがx≦0.1を満たすようにエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項8ないし請求項10のいずれか1項に記載の化合物半導体基板の製造方法。
- 前記(AlxGa1−x)yIn1−yP(0≦x≦1、0<y≦1)層の混晶比xがx=0を満たすようにエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項8ないし請求項10のいずれか1項に記載の化合物半導体基板の製造方法。
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