JP2009260136A - 半導体発光素子及びその製造方法、エピタキシャルウェーハ - Google Patents

Abstract

【課題】結晶性が改善され、高輝度且つ長時間安定動作が可能な半導体発光素子及びその製造方法、エピタキシャルウェーハを提供する。
【解決手段】 キャリア濃度が３×１０^１７乃至１×１０^１８ｃｍ^−３の範囲のＧａＰ基板と、第１の面側が前記ＧａＰ基板に対して接着された接着層と、前記接着層の前記第１の面側と対向する第２の面側に形成され、前記接着層との間の格子のずれが前記ＧａＰ基板と前記接着層との間の格子のずれより小さく、前記ＧａＰ基板を透過する光を放出可能な発光層を含む上部成長層と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子及びその製造方法、エピタキシャルウェーハが提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子及びその製造方法、エピタキシャルウェーハに関する。

緑、黄、赤色などの可視光を放出する半導体発光素子は、照明、車載、ディスプレイ、信号機などの用途を有する。これらの用途の半導体発光素子は、高輝度、且つ長時間安定動作が要求される。

緑〜赤色光の可視光波長よりも長い約８７０ｎｍのバンドギャップ波長を有するＧａＡｓ基板上に半導体発光素子の発光層を形成すると、放出光のうちＧａＡｓ基板に向かう光の一部が吸収され、光出力が低下する。

これに対して、緑〜赤色光の可視光波長よりも短い約５５０ｎｍのバンドギャップ波長を有するＧａＰ基板を用いると、ＧａＰ基板による光吸収を低減でき、高輝度とすることが容易となる。

しかしながら、緑〜赤色の可視光範囲の光を放出するＩｎＧａＡｌＰ及び赤〜赤外光の波長範囲を放出するＧａＡｌＡｓ系半導体の格子定数は、ＧａＰの格子定数との差が数％と大きく、ＧａＰ基板上に低結晶欠陥密度のＩｎＧａＡｌＰ及びＧａＡｌＡｓ系積層体を直接結晶成長することが困難である。

長寿命の発光ダイオードの製造に適したりん化ひ化ガリウムエピタキシャルウェーハ及びその製造方法に関する技術開示例がある（特許文献１）。この技術開示例では、単結晶基板上に、キャリア濃度が５×１０^１６〜５×１０^１７ｃｍ^−３であるりん化ひ化ガリウム混晶率変化層及び混晶率一定層を形成し、その上にキャリア濃度が３×１０^１５ｃｍ^−３以下である窒素をドープしたりん化ひ化ガリウムをさらに形成したりん化ひ化ガリウムエピタキシャルウェーハを用いて、輝度低下が小さく、かつＶｆの低い発光ダイオードを形成している。
しかしながら、この技術開示例を用いても、緑〜赤色光の広い波長範囲において、高輝度、且つ長時間安定動作する発光素子を実現することは困難である。
特許第３４３６３７９号公報

結晶性が改善され、高輝度且つ長時間安定動作が可能な半導体発光素子及びその製造方法、エピタキシャルウェーハを提供する。

本発明の一態様によれば、キャリア濃度が３×１０^１７乃至１×１０^１８ｃｍ^−３の範囲のＧａＰ基板と、第１の面側が前記ＧａＰ基板に対して接着された接着層と、前記接着層の前記第１の面側と対向する第２の面側に形成され、前記接着層との間の格子のずれが前記ＧａＰ基板と前記接着層との間の格子のずれよりも小さく、前記ＧａＰ基板を透過する光を放出可能な発光層を含む上部成長層と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、キャリア濃度が３×１０^１７乃至１×１０^１８ｃｍ^−３の範囲のＧａＰ基板と、少なくともＧａ及びＡｓを含む化合物半導体からなる表面制御層と、前記表面制御層の第１の面側に形成され、前記表面制御層と対向する側の面が前記ＧａＰ基板に対して接着された接着層と、前記表面制御層の前記第１の面側と対向する第２の面側に形成され、前記表面制御層との間の格子のずれが前記ＧａＰ基板と前記接着層との間の格子のずれよりも小さく、前記ＧａＰ基板を透過する光を放出可能なＩｎＧａＡｌＰ系半導体またはＧａＡｌＡｓ系半導体からなる発光層を含む上部成長層と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子が提供される。

また、本発明のさらに他の一態様によれば、第１の基板の上に接着層を結晶成長する工程と、キャリア濃度が３×１０^１７乃至１×１０^１８ｃｍ^−３の範囲であるＧａＰ基板と、前記接着層の第１の面の側と、を加熱状態で接着したのち、前記第１の基板を除去する工程と、前記第１の面と対向する前記接着層の第２の面の側に、前記ＧａＰ基板を透過する光を放出可能な発光層を含む上部成長層を結晶成長する工程と、を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法が提供される。

また、本発明のさらに他の一態様によれば、キャリア濃度が３×１０^１７乃至１×１０^１８ｃｍ^−３の範囲のＧａＰ基板と、第１の面の側が前記ＧａＰ基板に対して加熱接着された接着層と、前記加熱接着された前記接着層の前記第１の面側と対向する第２の面側に結晶成長され、直径が１０μｍ以上である表面ヒロック数が２インチウェーハに換算して４９０以下であり、前記接着層との間の格子のずれが前記ＧａＰ基板と前記接着層との間の格子のずれよりも小さく、前記ＧａＰ基板を透過する光を放出可能な発光層を含む上部成長層と、を備えたことを特徴とするエピタキシャルウェーハが提供される。

結晶性が改善され、高輝度且つ長時間安定動作が可能な半導体発光素子及びその製造方法、エピタキシャルウェーハが提供される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本実施形態にかかる半導体発光素子を説明する模式図である。すなわち、図１（ａ）はＧａＰ基板との接着工程を説明する図、図１（ｂ）は下地層の上に上部成長層を形成したエピタキシャルウェーハの断面図、図１（ｃ）は半導体発光素子の断面図である。
また、図２は、本実施形態にかかる半導体発光素子の製造方法を表すフローチャートである。

まず、ＧａＡｓ基板２８上に、ＩｎＧａＰからなるバッファ層２６、Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐからなり、エッチングストップ作用を有するバッファ層２４（厚さ５０ｎｍ）、ｎ型Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５）_０．５Ｐからなる第１の接着層２０（厚さ０．３μｍ、キャリア濃度４×１０^１７ｃｍ^−３）を、この順序で結晶成長した仮基板１９を形成する（Ｓ１００）。この結晶成長には、例えばＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition：有機金属気相成長)法及びＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシャル）法などを用いることができる。

仮基板１９と接着される基板は、透光性を有し単結晶であるＧａＰ基板１０とし、そのキャリア濃度は、３×１０^１７〜１×１０^１８ｃｍ^−３の範囲とすることが好ましく、３〜８×１０^１７ｃｍ^−３とするとより好ましい。また、ＧａＰ基板１０の面方位は、例えば（１００）面から［０１１］または［−０１１]の方向へ３〜２０度傾いたものとすると、結晶性改善が容易となるがこれに限定されるものではない。なお，バッファ層２６、２４を省略することもできるが、バッファ層を設けることにより結晶成長及び仮基板１９の除去を容易にすることができる。

第１の接着層２０の第１の面２０ａに適正な前処理を行うことより清浄にする。他方、Ｒ最大値が１０ｎｍ以下のラフネスであるように鏡面仕上げされたＧａＰ基板１０の上面は、例えば希弗酸などを用いて自然酸化膜を除去し、且つ洗浄などにより清浄にする。このようにすると、自然酸化膜及び付着した不要な微細粒子であるパーティクルなどによる接着不良領域の発生を抑制した接着界面１５とできる。

仮基板１９の第１の面２０ａ及びＧａＰ基板１０の上面を貼り合わせ（Ｓ１０２）、水素雰囲気中において約４００℃近傍で加熱することにより接着する（Ｓ１０４）。接着後、ＧａＡｓ基板２８を、例えば溶液エッチング法により除去し、バッファ層２６の表面を露出する（Ｓ１０６）。次に約７７０℃で加熱することにより良好な接着特性（オーミック特性、接着強度）を得る（Ｓ１０８）。なお、ＧａＰ基板１０のソリ量を、直径２インチウェーハにおいて２０μｍ以下、直径３インチウェーハにおいて５０μｍ以下とすると、接着不良領域の抑制が容易となる。

発光層３２を含む上部成長層３９を結晶成長する直前に、バッファ層２４を除去し、酸化物や汚れが抑制された第１の接着層２０の第２の面２０ｂを露出する。清浄な第２の面２０ｂに、ＩｎＧａＡｌＰからなるバッファ層２９（キャリア濃度４×１０^１７ｃｍ^−３）、ｎ型ＩｎＡｌＰからなるクラッド層３０（厚さ０．６μｍ、キャリア濃度４×１０^１７ｃｍ^−３）ｐ型Ｉｎ_０．５（Ｇａ_ｘＡｌ_ｙ）_０．５Ｐからなる発光層３２（キャリア濃度８×１０^１６ｃｍ^−３）、ｐ型ＩｎＡｌＰからなるクラッド層３４（厚さ０．６μｍ、キャリア濃度４×１０^１７ｃｍ^−３）、ｐ型Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐからなる電流拡散層３６（厚さ１．５μｍ、キャリア濃度１．５×１０^１８ｃｍ^−３）、ｐ型Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．７Ａｌ_０．３）_０．５Ｐからなる中間層３７（厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度１．５×１０^１８ｃｍ^−３）、及びｐ型ＧａＡｓからなるコンタクト層３８（厚さ０．１μｍ、キャリア濃度２×１０^１８ｃｍ^−３）、をこの順序で、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法などを用いて積層した上部成長層３９を形成する（Ｓ１１０）。

発光層３２を多重量子井戸構造とすると、動作電圧の低減、発光波長の制御などが容易となる。例えば、ｘ＝０．９６且つｙ＝０．０４、幅５ｎｍの井戸層と、ｘ＝０．２且つｙ＝０．８、幅８ｎｍのバリア層と、を４０対配置した構造とすることができる。

図１において、第１の接着層２０と上部成長層３９との間の格子のずれは、第１の接着層２０とＧａＰ基板１０との間の格子のずれよりも小さい。すなわち、ＧａＰの格子定数が約５．４５１２オングストロームであり、第１の接着層２０及び上部成長層３９は格子定数が約５．６５３３オングストロームであるＧａＡｓと略格子整合されている。このようにして、ＧａＰ基板１０は、第１の接着層２０に近い領域に転位などを生じ格子緩和されている。このために、接着界面１５近傍に生じた結晶欠陥が上部成長層３９にまで及ぶことが抑制できる。ここで、「格子のずれ」は、例えば、これら各層を構成する半導体の格子定数の差として定義することができる。

このようにして得られた図１（ｂ）のエピタキシャルウェーハ８において、コンタクト層３８の上にリフトオフ法を用いてＡｕＺｎからなるボンディング電極６６（例えばφ１００μｍ）及び３μｍ幅の細線電極６８を形成する。また、ＧａＰ基板１０の下面に、ＡｕＧｅからなる下側電極９０を、リフトオフ法を用いて形成する（Ｓ１１２）。この場合、下側電極９０は、例えば電極被覆率が３０％とし、下面の残余の部分を反射層９２とすると、下面における光吸収を低減できる。このようにして、図１（ｃ）の半導体発光素子を得ることができる。

続いて、４５０℃のＲＴＡ熱処理により、ボンディング電極６６、細線電極６８、及び下側電極９０をオーミック接触とした後、ボンディング電極６６及び細線電極６８で覆われた領域以外のコンタクト層３８をエッチング除去し、光吸収を低減する。さらに、ダイシングを行いチップに分離し、塩酸系溶液を用いて破砕層をエッチング除去する（Ｓ１１４）。このようにして、図１（ｃ）に表す半導体発光素子が完成する。

図３は、比較例にかかる半導体発光素子を説明する模式図である。すなわち、図３（ａ）は接着工程を説明する図、図３（ｂ）は接着後のエピタキシャルウェーハを表す断面図である。
比較例にかかる半導体発光素子は、図１の本実施形態とは反対の導電型であるｐ型ＧａＰからなるＧａＰ基板１１０の上に、ｐ型ＧａＰからなる接着層１１２が形成されている。

他方、ＧａＡｓ基板１２０上に、ｎ型ＧａＡｓからなるコンタクト層１２４、ｎ型ＩｎＧａＡｌＰからなる電流拡散層１２６、ｎ型ＩｎＡｌＰからなるクラッド層１２８、発光層１３０、ｐ型最終バリア層１３２、ｐ型ＩｎＡｌＰからなるクラッド層１３４、ｐ型ＩｎＧａＰからなる接着層１３６、がこの順序で結晶成長されている。

ｐ型ＧａＰ基板１１０上のｐ型ＧａＰからなる接着層１１２と、ｐ型ＩｎＧａＰからなる接着層１３６と、が貼り合わされ、水素雰囲気中で約４００℃の加熱工程により接着される。次にＧａＡｓ基板を、例えば溶液エッチング法で除去する。さらに、約７７０℃の熱処理により接着界面１７０のオーミック接触を得ている。約７７０℃の熱処理工程において、Ｚｎなどの不純物が拡散を生じ、発光層１３０近傍において結晶性劣化が生じやすい。このために、輝度が、赤色光では略２０％、緑〜黄色光では略４０％低下することがある。

これに対して、本実施形態では、ＧａＰ基板１０上に第１の接着層２０を形成したのち、発光層３２を含む上部成長層３９の結晶成長を行う。すなわち、上部成長層３９が、高い温度となる接着加熱工程を経ることはなく、Ｚｎなど不純物が発光層３２の近傍に拡散することを抑制できる。また、ＧａＡｓに対して略格子整合された第１の接着層２０上に、ＧａＡｓに対して略格子整合する上部成長層３９が結晶成長されるので、高い品質の結晶とすることが一層容易となる。

次に、本実施形態にかかる半導体発光素子用ＧａＰ基板１０の濃度について説明する。
図４は、エピタキシャル成長工程において生じるヒロックを説明する模式図である。すなわち、図４（ａ）はエピタキシャルウェーハの断面図、図４（ｂ）はエピタキシャルウェーハ表面を表す図、図４（ｃ）はチップの平面図である。

ＧａＰ基板１０が高キャリア濃度であると、格子間（インタースティシャルサイト）にｎ型不純物として寄与しない原子が存在するようになり結晶欠陥として作用する。ＧａＰ基板１０上のこのような結晶欠陥６０が起点となり、第１の接着層２０には、微小な空洞であるボイド領域６２を生じやすくなっている。ＧａＡｓ基板２８及びバッファ層２４、２６を除去後、ボイドにより第２の面２０ｂ上には、結晶方位が正常な方位からずれ、且つ直径が数μｍに及ぶ突起物であるヒロック６１を生じる。

上部成長層３９を結晶成長する工程において、このヒロック６１の上方の上部成長層３９では多結晶領域６３を生じやすい。上部成長層３９の厚さは４μｍ前後であるので、エピウェーハ８の表面ではヒロック６４の直径が１０μｍ以上に拡大することがある。図４（ｂ）は、エピタキシャルウェーハ８の表面のヒロックの分布の一例を表す。

多結晶領域６３は非発光となり、且つ逆方向電圧が４Ｖにおいて１００μＡ前後の異常に高いリーク電流となるので、特性不良となりチップ歩留まりが低下する。また、図４（ｃ）のように、ヒロック６４が細線電極６８の近傍に生じると、細線電極６８の断線を生じやすくなり輝度が低下する。

なお、図３の比較例において、ＧａＡｓ基板１２０上にも結晶欠陥１２１が存在するがＧａＰ基板の場合よりも少なく、且つ略格子整合された成長層を形成するので、ボイドに起因する多結晶領域の広がりを抑制することが容易である。

図５は、直径２インチのエピタキシャルウェーハにおける結晶成長前のパーティクルの付着（パーティクル密度）に応じた、結晶成長後のヒロック密度の基板キャリア濃度依存性を表すグラフ図である。
縦軸は上部成長層３９の表面のヒロック密度（１／ウェーハ）であり、横軸はＧａＰ基板１０のキャリア濃度（ｃｍ^−３）である。なお、ＧａＰ基板１０の表面は、鏡面仕上げであり、且つ結晶成長前は洗浄により清浄に保ってあり、パーティクルの付着を抑制している。このようにして、ＧａＰ基板１０の表面における直径０．３μｍ以上のパーティクル密度を１００／ウェーハ以下と低く抑えた場合を◆印で表している。

ヒロック及びパーティクルの形状は不定形であることが多いが、本願明細書においては、エピタキシャルウェーハを上方から見て等面積となる真円の直径をヒロック及びパーティクルの「直径」として、ヒロック及びパーティクルの大きさをそれぞれ表すことにする。図５におけるヒロック密度は、直径２インチのエピタキシャルウェーハ８表面において、直径が１０μｍ以上であるヒロックの数とする。また、エピタキシャルウェーハ８の直径が、例えば３インチの場合は、実効的面積比で換算するものとする。

キャリア濃度中心値が１×１０^１８ｃｍ^−３において、◆印で表すヒロック密度は略４９０／ウェーハであり、これよりも高いキャリア濃度においてヒロック密度が急激に増加した。キャリア濃度中心値が、３×１０^１７〜１．４５×１０^１８ｃｍ^−３の範囲内であるエピタキシャルウェーハを用いた発光素子の初期不良率（％）を調べた結果を（表１）に表す。

この場合、キャリア濃度中心値に対するヒロック密度は図５に表す関係に従っている。初期不良とする基準は、輝度不足、及び逆方向電圧が４Ｖにおいて逆方向電流が１μＡ以上となるリーク不良である。輝度不足は、多結晶領域６３による非発光及び細線電極６８の断線などにより生じる。

本実施形態にかかる発光素子は、キャリア濃度中心値が３×１０^１７〜１×１０^１８ｃｍ^−３の範囲のキャリア濃度を有するウェーハ番号１〜７であり、合計した平均不良率を１％よりも低くし、高いチップ歩留まりとできた。他方、ウェーハ番号８、９、１０のグループは、キャリア濃度中心値が１．２〜１．４５×１０^１８ｃｍ^−３に対応し、合計した平均不良率は約１０％と高く、高いチップ歩留まりを得ることが困難であった。さらに、ウェーハ番号８、９、１０のグループにおける平均輝度は、ウェーハ番号１〜７のグループの平均輝度よりも２０％以上低く、所望の輝度を保つことが困難であった。

また、図５において、直径が０．３μｍ以上のパーティクル密度が、略３００／ウェーハ（■印）、略８００／ウェーハ（△印）、略１１００／ウェーハ（□印）の場合のヒロック密度をそれぞれ破線で表している。パーティクル密度が高くなるに従い、ヒロック密度が高くなる。例えば、パーティクル密度が略１１００／ウェーハでは、ＧａＰ基板濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３において、ヒロック密度が略１３００／ウェーハと高くなる。このような高いヒロック密度となると初期不良率を１％以下と低く抑えることが困難となるので、パーティクル密度を、例えば１００／ウェーハ以下とすることが好ましい。このようにして、高輝度及び高い歩留まりが可能であり、量産性に富む半導体発光素子の製造方法が提供される。

なお、キャリア濃度が３×１０^１７ｃｍ^−３よりも低いと、オーミック抵抗が増加し発光素子の順方向電圧が高くなるので、キャリア濃度を３×１０^１７ｃｍ^−３以上とすることが好ましい。

図６は、輝度の時間変動を表すグラフ図である。縦軸は発光素子間における平均輝度変動率（％）であり、横軸は通電時間（ｈ）である。なお、動作条件は、室温且つ動作電流５０ｍＡとした。
ＧａＰ基板１０のキャリア濃度中心値が１．４×１０^１８ｃｍ^−３である場合、１０００時間経過ののち平均輝度が略８５％まで低下した。これは、ＧａＰ基板１０の高キャリア濃度に基づいて発光層３２に点欠陥、転位、積層欠陥などの結晶欠陥が増加し、注入キャリアの非発光再結合によりこれらの結晶欠陥が通電時間の経過とともにますます広がることによる。

これに対して、キャリア濃度中心値を１×１０^１８ｃｍ^−３以下とする本実施形態では、１０００時間経過後も、平均輝度が９４％以上を保っている。また、キャリア濃度を低くしていくと、平均輝度変動率を低減できる。例えば、キャリア濃度３×１０^１７ｃｍ^−３においては、１０００時間経過後も、平均輝度は９９％以上であり変動が極めて少ない。このように、本実施形態では、１×１０^１８ｃｍ^−３以下のキャリア濃度範囲とすることにより、輝度変動を抑制することが容易であった。このために、長時間安定動作が要求される用途に用いることができる。

図７は、本実施形態の半導体発光素子の第１変形例を説明する図である。すなわち、図（ａ）は接着工程を説明する図、（ｂ）は上部成長層を成長後のエピタキシャルウェーハ断面図である。
本第１変形例では、ＧａＡｓ基板２８上に、ＩｎＧａＰからなるバッファ層２６、Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐからなるバッファ層２４（厚さ５０ｎｍ）、ｎ型ＧａＡｓからなる表面制御層２２（厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度４×１０^１７ｃｍ^−３）、ｎ型Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５）_０．５Ｐからなる第１の接着層２０（厚さ０．３μｍ、キャリア濃度４×１０^１７ｃｍ^−３）を、この順序で積層する。

第１の接着層２０は、ｎ型Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５）_０．５Ｐなる組成を有しているが、これらの構成元素のうち、Ｉｎは凝固しやすく、Ｐは蒸発しやすい。すなわち、結晶成長工程において、第１の接着層２０の表面が露出し組成比が上記の比率からずれることがある。組成がずれた第１の接着層２０の上に、主としてＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなる上部成長層３９を結晶成長すると、結晶欠陥が増加する。結晶欠陥の増加は、輝度低下及び長時間動作に伴う輝度低下を生じる。

少なくともＧａ及びＡｓを含み、Ｉｎ及びＰを実質的には含まないIII−Ｖ族化合物半導体膜からなる薄い表面制御層２２を、第１の接着層２０に隣接して配置しこの表面制御層２２上に上部成長層３９を結晶成長すると、ＩｎＧａＡｌＰ組成が安定し結晶欠陥が低減された上部成長層３９とできる。この場合、表面制御層２２はＧａＡｓと略格子整合されているので、上部成長層３９との間の格子のずれはＧａＰ基板１０と第１の接着層２０との間の格子のずれよりも小さい。
なお、表面制御層２２をＧａＡｓとする場合、その厚さを、例えば７０ｎｍ以下とすると可視〜赤外光の波長範囲の光の吸収を十分に小さくし、且つ結晶性をより改善できる。この場合、ＧａＰ基板１０と、上部成長層３９と、の間の下地層２３は、表面制御層２２及び第１の接着層２０とからなる。

図８は、本実施形態にかかる半導体発光素子の第２変形例を説明する模式図である。すなわち、図（ａ）は接着工程を説明する図、図（ｂ）はエピタキシャルウェーハ断面図、図８（ｃ）は発光素子の断面図である。
本第２変形例では、ＧａＡｓ基板２８上に、ＩｎＧａＰからなるバッファ層２６、Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．３Ａｌ_０．７）_０．５Ｐからなるバッファ層２４（厚さ５０ｎｍ）、ｎ型ＧａＡｓからなる表面制御層２２（厚さ１０ｎｍ、キャリア濃度４×１０^１７ｃｍ^−３）、ｎ型Ｉｎ_０．５（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５）_０．５Ｐからなる第１の接着層２０（厚さ０．３μｍ、キャリア濃度４×１０^１７ｃｍ^−３）、及びｎ型Ｉｎ_０．５Ｇａ_０．５Ｐからなる第２の接着層２１（厚さ０．０２μｍ、キャリア濃度６×１０^１８ｃｍ^−３）を、この順序で積層する。

他方、ｎ型ＧａＰからなるＧａＰ基板１０上に、ｎ型ＧａＰからなる第３の接着層１２（厚さ０．２μｍ、キャリア濃度６×１０^１８ｃｍ^−３）を、ＭＯＣＶＤ法またはＭＢＥ法などを用いて結晶成長する。

このようにして接着する場合、第２及び第３の接着層２１、１２のキャリア濃度を高くすることにより、接着界面１５近傍におけるオーミック抵抗を低減し動作電圧を低減することがより容易となる。この場合、ＧａＰ基板１０及び上部成長層３９の間の下地層２３は、表面制御層２２、第１の接着層２０、第２の接着層２１、及び第３の接着層１２、とから構成される。また、表面制御層２２はＧａＡｓと略格子整合されているので、上部成長層３９との間の格子のずれはＧａＰ基板１０と第１の接着層２０との間の格子のずれよりも小さい。

本実施形態では、ＧａＰ基板１０の導電型をｎ型としているが、本発明はこれに限定されずｐ型ＧａＰであってもよい。ｐ型ＧａＰの場合、不純物濃度を５×１０^１７〜２×１０^１８ｃｍ^−３と高くし導電性を保つようにすると、光吸収の増大を生じ出力が低下する。これに対して、ｎ型ＧａＰ基板の場合、不純物濃度を３×１０^１７〜１×１０^１８ｃｍ^−３と低くしても導電性を高く保つことができ、且つ光吸収を低減することができるのでより好ましい。

本実施形態及びそれに付随する変形例において、発光層３２はＩｎＧａＡｌＰ系半導体からなり、その放出光の発光波長は可視光波長範囲とした。なお、ＩｎＧａＡｌＰとは、Ｉｎ_ｘ（Ｇａ_ｙＡｌ_１−ｙ）_１−ｘＰ（ただし、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。しかし、本発明はこれに限定されず、例えばＧａＡｌＡｓ系半導体からなる発光層３２とし、赤外光波長範囲の光を放出することもできる。この場合、ＧａＡｌＡｓとは、Ｇａ_ｗＡｌ_１−ｗＡｓ（ただし、０≦ｗ≦１）なる組成式で表される材料であり、ｐ型不純物やｎ型不純物が添加されたものも含むものとする。

以上、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかしながら本発明はこれら実施形態に限定されない。半導体発光素子を構成するＧａＰ基板、仮基板、下地層、接着層、表面制御層、バッファ層、上部成長層、発光層などの材質、サイズ、形状、配置などに関して当業者が設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

本実施形態にかかる発光素子の模式図 本実施形態にかかる発光素子の製造方法のフローチャート 比較例にかかる発光素子を説明する模式図 表面ヒロックを説明する模式図 ヒロック密度の基板濃度依存性を表すグラフ図 輝度変動を表すグラフ図 第１変形例にかかる発光素子を説明する図 第２変形例にかかる発光素子を説明する図

符号の説明

８ エピタキシャルウェーハ、１０ ＧａＰ基板、２８ ＧａＡｓ基板（第１の基板）、２４、２６ バッファ層、２２ 表面制御層、２０ 第１の接着層、３２ 発光層、３９ 上部成長層

Claims (5)

1. キャリア濃度が３×１０^１７乃至１×１０^１８ｃｍ^−３の範囲のＧａＰ基板と、
   第１の面側が前記ＧａＰ基板に対して接着された接着層と、
   前記接着層の前記第１の面側と対向する第２の面側に形成され、前記接着層との間の格子のずれが前記ＧａＰ基板と前記接着層との間の格子のずれよりも小さく、前記ＧａＰ基板を透過する光を放出可能な発光層を含む上部成長層と、
   を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
2. キャリア濃度が３×１０^１７乃至１×１０^１８ｃｍ^−３の範囲のＧａＰ基板と、
   少なくともＧａ及びＡｓを含む化合物半導体からなる表面制御層と、
   前記表面制御層の第１の面側に形成され、前記表面制御層と対向する側の面が前記ＧａＰ基板に対して接着された接着層と、
   前記表面制御層の前記第１の面側と対向する第２の面側に形成され、前記表面制御層との間の格子のずれが前記ＧａＰ基板と前記接着層との間の格子のずれよりも小さく、前記ＧａＰ基板を透過する光を放出可能なＩｎＧａＡｌＰ系半導体またはＧａＡｌＡｓ系半導体からなる発光層を含む上部成長層と、
   を備えたことを特徴とする半導体発光素子。
3. 第１の基板の上に接着層を結晶成長する工程と、
   キャリア濃度が３×１０^１７乃至１×１０^１８ｃｍ^−３の範囲であるＧａＰ基板と、前記接着層の第１の面の側と、を加熱状態で接着したのち、前記第１の基板を除去する工程と、
   前記第１の面と対向する前記接着層の第２の面の側に、前記ＧａＰ基板を透過する光を放出可能な発光層を含む上部成長層を結晶成長する工程と、
   を備えたことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
4. 前記接着層を結晶成長する前に、前記第１の基板の上に少なくともＧａ及びＡｓを含む化合物半導体からなる表面制御層を結晶成長し、
   前記除去する工程により露出した前記表面制御層上に、前記上部成長層を結晶成長す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. キャリア濃度が３×１０^１７乃至１×１０^１８ｃｍ^−３の範囲のＧａＰ基板と、
   第１の面の側が前記ＧａＰ基板に対して加熱接着された接着層と、
   前記加熱接着された前記接着層の前記第１の面側と対向する第２の面側に結晶成長され、直径が１０μｍ以上である表面ヒロック数が２インチウェーハに換算して４９０以下であり、前記接着層との間の格子のずれが前記ＧａＰ基板と前記接着層との間の格子のずれよりも小さく、前記ＧａＰ基板を透過する光を放出可能な発光層を含む上部成長層と、
   を備えたことを特徴とするエピタキシャルウェーハ。

Images