JP2009238778A - 発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＳＤ耐圧を向上させること。
【解決手段】本発明は、窒化物半導体からなる井戸層２１を形成する工程と、井戸層２１上に、窒化物半導体からなりバリア層２３を、井戸層２１の成長温度より１３０℃以上１５０℃未満高い成長温度で形成する工程と、を含むＭＱＷ活性層２４を形成する工程を有することを特徴とする発光素子の製造方法である。本発明によれば、バリア層２３と井戸層２１との成長温度の差を１３０℃以上とすることにより、ＥＳＤ耐圧を向上させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、発光素子の製造方法に関し、特に窒化物半導体層を有する発光素子の製造方法に関する。

白色ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の発光素子として窒化物半導体層を有するＬＥＤが用いられている。このようなＬＥＤには、ＭＱＷ（Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：多重量子井戸）構造を有する活性層が用いられている。特許文献１には、ＭＱＷ活性層を形成する際、ＧａＮバリア層の成長温度をＩｎＧａＮ井戸層の成長温度に比べ１５０℃から２２０℃の間で高くし作製したＬＥＤが開示されている。

特開２００７−０３６１１３号公報

窒化物半導体層を有するＬＥＤにおいては、静電気放電（ＥＳＤ：ｅｌｅｃｔｒｏ ｓｔａｔｉｃ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）耐圧が低いという課題がある。

本発明は、ＥＳＤ耐圧を向上させることを目的とする。

本発明は、窒化物半導体からなる井戸層を形成する工程と、前記井戸層上に、窒化物半導体からなるバリア層を、前記井戸層の成長温度より１３０℃以上１５０℃未満高い成長温度で形成する工程と、を含むＭＱＷ活性層を形成する工程を有することを特徴とする発光素子の製造方法である。本発明によれば、バリア層と井戸層との成長温度の差を１３０℃以上とすることにより、ＥＳＤ耐圧を向上させることができる。また、バリア層と井戸層との成長温度の差を１５０℃未満とすることにより、発光効率の低下を抑制することができる。

上記構成において、前記バリア層の成長温度は、前記井戸層の成長温度より１４０℃以上１５０℃未満高い構成とすることができる。上記構成において、前記井戸層／前記バリア層は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮおよびＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮのいずれかからなる構成とすることができる。さらに、上記構成において、前記基板は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮおよびサファイアのいずれかである構成とすることができる。さらに、上記構成において、前記活性層の形成はＭＯＣＶＤ法を用いる構成とすることができる。さらに、上記構成において、前記バリア層の成長温度は、８７０℃以下である構成とすることができる。

本発明によれば、ＥＳＤ耐圧を向上させることができる。

特許文献１のように、従来、バリア層は井戸層に対し１６０℃から２００℃高い成長温度で成長することが好ましいことが知られていた。発明者は、バリア層と井戸層との成長温度の差がＥＳＤ耐圧にも影響することを見出した。以下、本発明の実施例について説明する。

図１および図２を用い、実施例に係る発光素子の製造方法について説明する。図１を参照に、（０００１）を主面とするサファイア基板１０上にＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用い、ＡｌＮバッファ層１２、ＳｉドープＧａＮバッファ層１４、アンドープＧａＮバッファ層１６、ｎ型ＧａＮ中間層１８、ｎ型ＧａＮコンタクト層２０、ｎ型ＧａＮ層２２、ＭＱＷ活性層２４、ｐ型ＧａＮ層２６を順次成長する。

各層の成長条件は以下である。
ＡｌＮバッファ層１２の成長条件
膜厚：５８０ｎｍ
ドープ濃度：アンドープ
原料ガス：ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＮＨ_３
キャリアガス：水素
圧力：５０Ｔｏｒｒ
成長温度：１０４０℃（成長１）、１１４０℃（成長２）
成長途中で成長１から成長２に成長温度を変えている。

ＳｉドープＧａＮバッファ層１４の成長条件
膜厚：６０ｎｍ
Ｓｉドープ濃度：１．５×１０^１９ｃｍ^−３
原料ガス：ＴＭＧ（トリメチルガリウム）、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４
キャリアガス：水素
圧力：２００Ｔｏｒｒ
成長温度：１０４０℃

アンドープＧａＮバッファ層１６の成長条件
膜厚：１３３０ｎｍ
ドープ濃度：アンドープ
原料ガス：ＴＭＧ、ＮＨ_３
キャリアガス：水素
圧力：２００Ｔｏｒｒ
成長温度：１０４０℃

ｎ型ＧａＮ中間層１８の成長条件
膜厚：１３８０ｎｍ
Ｓｉドープ濃度：１．５×１０^１９ｃｍ^−３
原料ガス：ＴＭＧ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４
キャリアガス：水素
圧力：１００Ｔｏｒｒ
成長温度：１０４０℃

ｎ型ＩｎＧａＮＩｎコンタクト層２０の成長条件
膜厚：５００ｎｍ
原料ガス：ＴＭＧ、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４
Ｓｉドープ濃度：１．５×１０^１９ｃｍ^−３
キャリアガス：窒素
圧力：３００Ｔｏｒｒ
成長温度：８３０℃

ｎ型ＧａＮ層２２の成長条件
膜厚：１７０ｎｍ
Ｓｉドープ濃度：１．５×１０^１９ｃｍ^−３
原料ガス：ＴＭＧ、ＮＨ_３、ＳｉＨ_４
キャリアガス：水素
圧力：１００Ｔｏｒｒ
成長温度：１０４０℃

ＭＱＷ活性層２４の成長条件
膜厚：８３ｎｍ
層数：井戸層５層、バリア層７層
井戸層２１：Ｉｎ_０．１６Ｇａ_０．８４Ｎ
膜厚：２．２ｎｍ
ドープ濃度：アンドープ
原料ガス：ＴＥＧ（トリエチルガリウム）、ＴＭＩ、ＮＨ_３
キャリアガス：窒素
圧力：３００Ｔｏｒｒ
成長温度：Ｔ２（後述する）
バリア層２３：ＧａＮ
膜厚：１２ｎｍ
Ｓｉドープ濃度：５×１０^１７ｃｍ^−３
原料ガス：ＴＥＧ、ＮＨ_３
キャリアガス：窒素
圧力：３００Ｔｏｒｒ
成長温度：Ｔ１（後述する）。
バリア層２３から井戸層２１への成長の際は、バリア層２３を成長した後に原料ガスの成長炉内への供給を止める。その後、キャリアガスを成長炉内に供給したまま井戸層２１の成長温度に達するまで原料ガスを供給せず待機する。

ｐ型ＧａＮ層２６の成長条件
膜厚：２００ｎｍ
Ｍｇドープ濃度：４×１０^１９ｃｍ^−３
原料ガス：ＴＭＧ、ＮＨ_３、Ｃｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）
キャリアガス：水素
圧力：２００Ｔｏｒｒ
成長温度：９７５℃

図２のように、ｎ型電極３０を形成する領域を選択的にｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層２０までドライエッチングし溝を形成する。蒸着法を用いｐ型ＧａＮ層２６上の一部にｐ型ＧａＮ層２６に電気的に接続するようにＮｉＡｕからなるｐ型電極２８を形成する。大気中で５００℃のアニールを行い、ｐ型ＧａＮ層２６との合金を形成する。溝の底面の一部に、蒸着法を用いｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層２０に電気的に接続するように、下からＴａ／Ａｌ／Ｐｔからなるｎ型電極３０を形成する。大気中で５００℃のアニールを行い、ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層２０との合金を形成する。以上により、図２の構成が完成する。この後、公知の方法により、酸化シリコンからなる保護膜（不図示）やｐ型電極２８およびｎ型電極３０に接続する電極パッド（不図示）を形成する。

基板１０を１００μｍの厚さまで研削する。スクライブ法を用い、基板１０の裏面からウェハを分割し、例えば約３５０μｍ×３５０μｍのチップに分割する。その後、パッケージに実装する。以上により、実施例に係るＬＥＤが完成する。なお、ｐ型電極２８およびｎ型電極３０はＩＴＯ（酸化インジウム錫）等を用いることもできる。

図３は、ｎ型ＧａＮ層２２、活性層２４およびｐ型ＧａＮ層２６に関する成長温度を時間に対し示した図である。なお、活性層２４中のバリア層２３および井戸層２１の層数は前述した総数よりも省略して図示している。図３のように、ＭＱＷ活性層２４を形成する際に、井戸層２１を形成した後に、井戸層２１上に、バリア層２３を、井戸層２１の成長温度Ｔ２より高い成長温度Ｔ１で形成する。

表１は、試作した試料１から試料５のバリア層２３の成長温度Ｔ１、井戸層２１の成長温度Ｔ２およびＴ１−Ｔ２を示した表である。

試料１から試料５に係るＬＥＤについて、逆方向のＥＳＤ耐圧を評価した。ＥＳＤ印加は、１．５ｋΩの抵抗、１００ｐＦの容量を付加したヒューマンボディモデルを用い、５回印加した後ＬＥＤが破壊されているかを判定した。すなわち、逆方向電圧の印加（５回実施）の前後におけるＬＥＤの破壊を判定して、ＬＥＤが破壊されていない場合は、その逆方向電圧を上昇させる。ＬＥＤが破壊されている場合は、その電圧をＥＳＤ耐圧とした。なお、ＬＥＤの破壊の判定は、ＬＥＤの発光の確認および順方向通電時の電圧値の変動で行った。各試料のＥＳＤ耐圧を表１に示す。

図４は、バリア層２３の成長温度Ｔ１と井戸層２１の成長温度Ｔ２との差Ｔ１−Ｔ２に対するＥＳＤ耐圧を示した図である。

図４より、Ｔ１−Ｔ２が１３０℃以上では、ＥＳＤ耐圧が高くなる。これは、１３０℃未満では、ＩｎＧａＮ井戸層２１の結晶性が悪くなるためと考えられる。一方、Ｔ１−Ｔ２が１３０℃以上であれば、ＥＳＤ耐圧が改善される。しかし、井戸層２１／バリア層２３間の成長温度差が大きい場合は、成長の切り替え時間（井戸層２１の成長温度からバリア層２３の成長温度となるまでの待機時間）が長くなる。井戸層２１／バリア層２３の切り替え期間が短いほど、切り替え期間中に井戸層２１が成長炉内の雰囲気（一般的には窒素雰囲気）に暴露されることによるダメージ（例えばＩｎ含有層からのＩｎの脱離）が低減できる。図４を参照すると、Ｔ１−Ｔ２が１５０℃をピークとしてＥＳＤ耐圧改善効果が暫減する。このことから、切り替え期間の短縮の観点から、Ｔ１−Ｔ２は１５０℃未満であることが好ましい。以上より、Ｔ１−Ｔ２の好ましい範囲は、１３０℃以上１５０℃未満である。また、図４を参照すれば、ＥＳＤ耐圧の観点から、Ｔ１−Ｔ２は１４０℃以上であることがより好ましい。なお、バリア層２３の成長温度は、井戸層２１に加わる熱に起因したダメージを回避する観点から８７０℃以下であることが好ましい。

実施例において、サファイア基板１０を用いる例を説明したが、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板またはＧａＮ基板を用いてもよい。また、ｎ型ＧａＮ層２２、ｐ型ＧａＮ層２６は、活性層２４より屈折率が大きくクラッド層として機能すれば、ＧａＮ以外の窒化物半導体層であってもよい。さらに、井戸層２１およびバリア層２３は、活性層２４が発光する層として機能すれば、ＩｎＧａＮおよびＧａＮ以外の窒化物半導体層であってもよい。例えば、井戸層２１／バリア層２３の組み合わせとして、ＩｎＧａＮ／ＧａＮのほか、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮまたはＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮなどを採用することができる。

以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

図１は実施例に係るＬＥＤの製造方法を示す断面図である。 図２は実施例に係るＬＥＤの断面図である。 図３は、実施例の成長温度を示す図である。 図４は、各試料のＥＳＤ耐圧を示す図である。

符号の説明

１０ 基板
１２ ＡｌＮバッファ層
１４ ＳｉドープＧａＮバッファ層
１６ アンドープＧａＮバッファ層
１８ ｎ型ＧａＮ中間層
２０ ｎ型ＩｎＧａＮコンタクト層
２１ 井戸層
２２ ｎ型ＧａＮ層
２３ バリア層
２４ 活性層
２６ ｐ型ＧａＮ層
２８ ｐ型電極
３０ ｎ型電極

Claims (6)

1. 窒化物半導体からなる井戸層を形成する工程と、前記井戸層上に、窒化物半導体からなるバリア層を、前記井戸層の成長温度より１３０℃以上１５０℃未満高い成長温度で形成する工程と、を含むＭＱＷ活性層を形成する工程を有することを特徴とする発光素子の製造方法。
2. 前記バリア層の成長温度は、前記井戸層の成長温度より１４０℃以上１５０℃未満高いことを特徴とする請求項１記載の発光素子の製造方法。
3. 前記井戸層／前記バリア層は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮおよびＡｌＩｎＧａＮ／ＡｌＩｎＧａＮのいずれかからなることを特徴とする請求項１記載の発光素子の製造方法。
4. 前記基板は、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＧａＮおよびサファイアのいずれかであることを特徴とする請求項１記載の発光素子の製造方法。
5. 前記活性層の形成はＭＯＣＶＤ法を用いることを特徴とする請求項１記載の発光素子の製造方法。
6. 前記バリア層の成長温度は、８７０℃以下であることを特徴とする請求項１記載の発光素子の製造方法。
   
   

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