JP2010126372A - 発光素子用エピタキシャルウェハおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高品位で且つ低コストな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型基板2上に、少なくともn型クラッド層6、活性層8、p型クラッド層を順次積層する化合物半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、n型基板2として、ほぼ円形であるn型基板の直径を(a)、n型基板の厚さを(b)としたとき、(b)/(a)が0.0047以下であるn型基板を用いて作製したものである。
【選択図】図1
【解決手段】n型基板2上に、少なくともn型クラッド層6、活性層8、p型クラッド層を順次積層する化合物半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、n型基板2として、ほぼ円形であるn型基板の直径を(a)、n型基板の厚さを(b)としたとき、(b)/(a)が0.0047以下であるn型基板を用いて作製したものである。
【選択図】図1
Description
本発明は、主に半導体レーザーダイオード(LD:Laser Diode)、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)などの発光素子用エピタキシャルウェハおよびその製造方法に関するものである。
化合物半導体結晶を用いたLDは、デジタルバーサタイルディスク(DVD)やコンパクトディスク(CD)などの光ディスクシステムにおいて、読み取り用光源や書き込み用光源として広く用いられている。また、LEDはディスプレイ、リモコン、センサー、車載用ランプ等、様々な用途に用いられている。
化合物半導体結晶を成長する方法には有機金属気相成長(MOVPE:Metal Organic Vapor Phase Epitaxy)法、分子線エピタキシー(MBE:Molecular Beam Epitaxy)法などがある。
MOVPE法は、III族有機金属原料ガスとV族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして反応炉内に導入し、反応炉内で加熱された基板付近で原料が熱分解されることで、基板上に化合物半導体結晶(エピタキシャル層)をエピタキシャル成長させる方法である。
MBE法は、超高真空下で原料となる金属などを加熱して分子線を発生させ、目標の基板の結晶に照射し薄膜を成長させる方法である。
化合物半導体エピタキシャルウェハとは、化合物半導体基板上に前述の方法でエピタキシャル層を形成したものである。基板はエピタキシャル成長のベースとなる。
ところで、発光素子用エピタキシャルウェハは次のような特徴がある。
(1)発光素子用エピタキシャルウェハでは、4元素からなる結晶(例えば、AlGaInP)を用いることが多いため、複雑かつ精密な組成制御が要求される。
(2)発光素子用エピタキシャルウェハでは、基板結晶の格子定数と差異の大きい格子定数を有する(格子不整合度の大きい)結晶を積層することが多く、格子歪みが内在しやすい(したがって、良好な結晶成長は困難)。
(3)発光素子用エピタキシャルウェハでは、エピタキシャル層を厚く積む必要がある。一般的に、電子デバイス用エピタキシャルウェハに比して2〜5倍程度の厚さを有する。
上記の特徴から、発光素子用エピタキシャルウェハは、クラック等が発生する臨界膜厚に対する裕度が小さいことを意味し、チップ化工程を含む各種製造プロセスにおいて歩留まりの低下の要因となっている。
これに対し、例えば、特許文献1に記載の発光ダイオードの製造方法では、チップ化プロセスにおけるダイシング工程で導入される歪が残留する部分を、続くエッチング工程で除去することにより、高輝度で信頼性の向上した発光ダイオードが提供できるとしている。
臨界膜厚とは、異種類の半導体層が積層されているときに、主となる半導体層に対して、従となる半導体層にクラック・転位が生じる場合における、従側半導体層の臨界的な膜厚のことである。例えば、下地の半導体層の格子定数と、その上に積層する半導体層の格子定数との違いに起因して生じるクラック・転位が(この両者の半導体層間に)発生しない限界の膜厚のことを言う。
発光素子用エピタキシャルウェハでは、発光素子作製の際には、基板の裏面に電極を付ける際にバックラップにより基板の大部分を除去してしまう。理由としては、GaAs基板は割れやすいので、エピタキシャル成長時の取り扱いのためにも、ある程度の厚さ以上を必要とするからである。このような場合、最終的には、バックラップにより、エピタキシャル成長後の基板の裏面をある厚さ研磨する。
前述の(1)〜(3)のような特徴のため、発光素子用エピタキシャルウェハには(格子不整合・残留歪みが原因であると考えられる)反りが発生する。
反りはチップ化プロセスにおける歩留まり低下の原因となる。この反りはベースとなる基板の厚さを薄くすると、いっそう大きくなると考えられる。
現在発光素子には、期待される用途の拡大から、更なる低コスト化が強く求められている。
エピタキシャルウェハのコストにおける基板コストの割合は数十%と大きな部分を占めている。基板はインゴットとよばれる単結晶をスライスして作製されるため、基板厚さを薄く(薄肉化)すれば一つのインゴットから作製できる基板枚数が増えるため、基板単価を下げることが可能となる。
しかし、基板の薄肉化は、従来のエピタキシャル成長ではエピタキシャルウェハの反りが大きくなり、チップ化プロセスでの歩留まり低下を招くために、ある程度の限界があった。
そこで、本発明の目的は、発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、従来よりも薄肉化した基板を利用可能とすることによって、従来よりも発光素子の低コスト化が可能な発光素子用エピタキシャルウェハ及びその製造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型基板上に、少なくともn型クラッド層、活性層、p型クラッド層を順次積層する化合物半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記n型基板として、ほぼ円形であるn型基板の直径を(a)、n型基板の厚さを(b)としたとき、(b)/(a)が0.0047以下であるn型基板を用いて作製した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、n型基板上に、少なくともn型クラッド層、活性層、p型クラッド層を順次積層する化合物半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記n型基板として、ほぼ円形であるn型基板の直径を(a)、n型基板の厚さを(b)としたとき、(b)/(a)が0.0040以下であるn型基板を用いて作製した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、加熱した基板上に、III族およびV族原料ガス、ドーピング原料およびキャリアガスを供給して、基板上に化合物半導体結晶を成長するMOVPE法で製造する発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法であって、前記基板として、ほぼ円形である基板の直径を(a)、基板の厚さを(b)としたとき、(b)/(a)が0.0047以下である基板を用い、基板上に化合物半導体結晶を成長する際のリアクタ圧力を60〜75Torr(7999〜9999Pa)、基板上に供給するIII族原料ガスとV族原料ガスの実流量比(V/III比)を140〜150以上として基板上に化合物半導体結晶を成長する発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法である。
請求項4の発明は、加熱した基板上に、III族およびV族原料ガス、ドーピング原料およびキャリアガスを供給して、基板上に化合物半導体結晶を成長するMOVPE法で製造する発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法であって、前記基板として、ほぼ円形である基板の直径を(a)、基板の厚さを(b)としたとき、(b)/(a)が0.0040以下である基板を用い、基板上に化合物半導体結晶を成長する際のリアクタ圧力を60〜75Torr(7999〜9999Pa)、基板上に供給するIII族原料ガスとV族原料ガスの実流量比(V/III比)を140〜150以上として基板上に化合物半導体結晶を成長する発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法である。
請求項5の発明は、前記基板のキャリア濃度がn型で0.5×1018〜1.5×1018cm-3である基板を用いて作製することを特徴とする請求項3または4に記載の発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法である。
本発明によれば、発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、従来よりも薄肉化した基板を利用可能とすることによって、従来よりも発光素子の低コスト化が可能な発光素子用エピタキシャルウェハを提供することができる。
以下、本発明の好適な実施の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の形態に係る発光素子用エピタキシャルウェハの構造図である。
図1に示すように、発光素子用エピタキシャルウェハ1は、反応炉(リアクタ)を用いて作製されたLD用エピタキシャルウェハであり、n型基板2上に、III族およびV族原料ガスを用いて、III−V族化合物半導体結晶を成長させてなるエピタキシャル層3を形成したものである。
エピタキシャル層3は、第一バッファ層4、第二バッファ層5、n型クラッド層6、第一アンドープガイド層7、活性層8、第二アンドープガイド層9、p型第一クラッド層10、エッチングストップ層11、p型第二クラッド層12、中間層13、コンタクト層14を順次積層してなる。
第一バッファ層4と第二バッファ層5は、n型基板2とn型クラッド層6の格子不整を緩和するために形成される。n型クラッド層6、p型第一クラッド層10、p型第二クラッド層12は、活性層8に隣接あるいは近接して形成される屈折率が低く、バンドギャップエネルギーが高い半導体層である。第一アンドープガイド層7は活性層8を成長させる際の、第二アンドープガイド層9は、p型第一クラッド層10を成長させる際のバッファ層として働く。中間層13は、p型第二クラッド層12とコンタクト層14の格子不整を緩和するために形成される。コンタクト層14は、キャリア密度が高く、電極とオーミック接触を得るために形成される。
さて、本実施の形態に係る発光素子用エピタキシャルウェハ1は、n型基板2として、ほぼ円形であるn型基板の直径を(a)、n型基板の厚さを(b)としたとき、(b)/(a)が0.0047以下であるn型基板を用いて作製したものである。
エピタキシャルウェハの用途によっても異なるが、(b)/(a)は、従来LD用途の場合は概ね0.006前後の基板を用いていた。
このように、本実施形態に係る発光素子用エピタキシャルウェハ1では、従来よりも薄肉化した((b)/(a)が0.0047以下である)n型基板2を用いて作製しているため、従来よりも発光素子の低コスト化が実現できる。
しかしながら、薄肉化した基板を用いて従来の製造方法により発光素子用エピタキシャルウェハを作製すると、通常の厚さの基板を用いた場合と比べて格子不整合や残留歪みが原因と考えられる反りが大きくなってしまう。
そこで、本発明者らは、エピタキシャル成長の圧力、原料ガスの流量をコントロールすることで、薄肉化した基板を用いて作製した発光素子用エピタキシャルウェハの反り量を従来と同レベルの反り量に抑えることのできる発光素子用エピタキシャルウェハ1の製造方法を提案する。
本発明者らが提案する発光素子用エピタキシャルウェハ1の製造方法は、n型基板2上に化合物半導体結晶(エピタキシャル層)3を成長する際のリアクタ圧力を60〜75Torr(7999〜9999Pa)、n型基板2上に供給するIII族原料ガスとV族原料ガスの実流量比、すなわち、[V族原料ガスの実流量/III族原料ガスの実流量]であるV/III比を140〜150以上としてn型基板2上にエピタキシャル層3を成長する方法である。
以下、発光素子用エピタキシャルウェハ1の製造方法を具体的に説明する。
先ず、MOVPE装置などの慣用の半導体製造装置の反応炉内(リアクタ内)に(b)/(a)が0.0047以下であるn型基板2をセットし加熱する。n型基板2としては、キャリア濃度が0.5×1018〜1.5×1018cm-3である基板を用いるとよい。キャリア濃度が0.5×1018〜1.5×1018cm-3の範囲であれば、電極とのコンタクトを容易に取ることができ、また基板の結晶性を下げることなく、さらに透明性を損なうおそれもない。
その後、リアクタ圧力を60〜75Torr(7999〜9999Pa)、n型基板2上に供給するIII族原料ガスとV族原料ガスの実流量比(V/III比)を140〜150以上として、加熱したn型基板2上に、III族およびV族原料ガス、ドーピング原料およびキャリアガスを供給すると、反応炉内で加熱されたn型基板2付近で原料が熱分解されてn型基板2上にエピタキシャル層3が成長され、発光素子用エピタキシャルウェハ1が得られる。
(b)/(a)を0.0047以下、リアクタ圧力を60〜75Torr(7999〜9999Pa)、V/III比を140〜150以上とするのは、これにより、薄肉化した基板を用いて作製した発光素子用エピタキシャルウェハ1の反り量を従来と同レベルの反り量に抑えることができるからである。
以上説明したように、本実施の形態に係る発光素子用エピタキシャルウェハ1の製造方法によれば、薄肉化した基板((b)/(a)が0.0047以下であるn型基板2)を用いて作製した発光素子用エピタキシャルウェハ1の反り量を従来と同レベルの反り量に抑えることができる。
薄肉化した基板を用いて発光素子用エピタキシャルウェハ1を製造できるので、従来よりも発光素子の低コスト化が図れる。また、発光素子用エピタキシャルウェハ1の反り量を従来と同レベルの反り量に抑えることができるので、発光素子用エピタキシャルウェハ1をチップ化して発光素子を製造する際の歩留まりの低下を防げる。
上述の実施の形態では、発光素子用エピタキシャルウェハ1としてLD用エピタキシャルウェハの例で説明したが、本実施形態に係る発光素子用エピタキシャルウェハ1およびその製造方法は、MOVPE法やMBE法により製造するLED用エピタキシャルウェハにも適用できる。
従来LED用途の場合は、(b)/(a)が概ね0.0045前後の基板を用いていたが、本発明をLED用エピタキシャルウェハに適用する際には、n型基板2として、(b)/(a)が0.0040以下であるn型基板を用いる。これにより、従来よりも発光素子の低コスト化が実現できる。
このLED用エピタキシャルウェハを製造する方法は、n型基板2のキャリア濃度、リアクタ圧力、V/III比の条件を含めLD用エピタキシャルウェハの場合と基本的に同じであり、n型基板2の厚さと積層する層の種類が異なる。
すなわち、(b)/(a)が0.0040以下であるn型基板2上にバッファ層、n型クラッド層、活性層、スペーサ層、p型クラッド層、中間層、注入電流を分散させる低抵抗層である電流分散層を順次積層するとLED用エピタキシャルウェハが得られる。
この方法によれば、薄肉化した基板((b)/(a)が0.0040以下であるn型基板2)を用いて作製したLED用エピタキシャルウェハの反り量を従来と同レベルの反り量に抑えることができる。
薄肉化した基板を用いてLED用エピタキシャルウェハを製造できるので、従来よりも発光素子の低コスト化が図れる。また、LED用エピタキシャルウェハの反り量を従来と同レベルの反り量に抑えることができるので、LED用エピタキシャルウェハをチップ化して発光素子を製造する際の歩留まりの低下を防げる。
(実施例1〜7、従来例1、2)
III族有機金属原料ガスとV族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして反応炉内に導入し、反応炉内で加熱された基板付近で原料が熱分解されることで、基板上にエピタキシャル成長する有機金属気相成長法において、表1に示すLD用エピタキシャルウェハ構造を成長した。
III族有機金属原料ガスとV族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして反応炉内に導入し、反応炉内で加熱された基板付近で原料が熱分解されることで、基板上にエピタキシャル成長する有機金属気相成長法において、表1に示すLD用エピタキシャルウェハ構造を成長した。
ここではn型、p型をそれぞれn−、p−で示す。また不純物を添加しないものはアンドープと呼び、un−で示した。
Ga原料としてTMG(トリメチルガリウム)、Al原料としてTMA(トリメチルアルミニウム)、In原料としてTMI(トリメチルインジウム)、As原料としてAsH3(アルシン)、P原料としてPH3(ホスフィン)、n型不純物であるSi原料としてSi2H6(ジシラン)、p型の不純物であるMg原料としてCp2Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)、Zn原料としてDEZ(ジエチル亜鉛)を用いた。
より詳細には、n型基板(n型導電性GaAs基板)2上に、第一バッファ層4として200nmのn型GaAs(キャリア濃度1×1018cm-3)、さらに第二バッファ層5として200nmのn型Ga0.51In0.49P(キャリア濃度1×1018cm-3)を成長する。
その上にn型クラッド層6として2000nmのn型(Al0.68Ga0.32)0.51In0.49P(キャリア濃度8.5×1017cm-3)、第一アンドープガイド層7として15nmの不純物を添加しない(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49Pを成長する。
活性層8はGa0.51In0.49Pをウェル、(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49Pをバリアとしたカンタムウェル構造とし、不純物は添加しない。
第一アンドープガイド層7と同様の結晶70nmを活性層8上に第二アンドープガイド層9として成長する。
そしてp型第一クラッド層10として300nmの(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49P(Mgドープキャリア濃度1×1018cm-3)、エッチングストップ層11は不純物を添加しないGa0.55In0.45Pを9nm、エッチングストップ層11の上に、p型第一クラッド層10と同一の結晶を1500nm、p型第二クラッド層12として成長する。
p型第二クラッド層12の上に、p型第二クラッド層12とコンタクト層14の格子不整を緩和する40nmの中間層13を成長(Mgドープp型Ga0.51In0.49P(キャリア濃度1.5×1018cm-3))する。
最上層のコンタクト層は400nmのZn−GaAs(キャリア濃度5.0×1018cm-3)とした。
実施例1〜7、従来例1、2ではn型基板2の直径と厚さを様々に変えて図1の構造を成長した。その際、成長圧力とV/III比(V族原料とIII族原料の実流量比)を変えて成長を実施した。
成長したLD用エピタキシャルウェハについて反り測定を実施した。反りの測定位置dを図2に示す。
また、成長に用いたn型基板2、成長圧力、V/III比とその反り結果(エピタキシャル成長後)を表2に示す。従来例1、2は、参考例として、従来の標準的な厚さのn型基板2を用いた例を示すものである。
このように、本発明の実施例1〜7では、(b)/(a)が0.0047以下の薄肉化したn型基板2を用い、リアクタ圧力を60〜75Torr(7999〜9999Pa)、n型基板2上に供給するIII族原料ガスとV族原料ガスの実流量比(V/III比)を140〜150以上としてn型基板2上にエピタキシャル層3を成長することで、従来の基板厚さのもの(従来例1、2)と同程度の反り量に抑えることができた。
また、実施例1〜7におけるLD用エピタキシャルウェハを用いて作製した赤色半導体レーザーの素子特性はどれも良好であり、チップ化プロセスでの歩留まりにも問題はなかった。
(実施例8〜12、従来例3〜5)
実施例8〜12、従来例3〜5として表3に示すLED用エピタキシャルウェハ構造を成長した。
実施例8〜12、従来例3〜5として表3に示すLED用エピタキシャルウェハ構造を成長した。
成長に用いた原料はLDエピタキシャルウェハと同じである。LDの実施例1〜7、従来例1、2と同様に、n型基板2の直径と厚さを変えて成長を実施した。実施例1〜7、従来例1、2と同様に、その結果を表4に示す。
LED用エピタキシャルウェハでも、(b)/(a)が0.0040以下の薄肉化したn型基板2を用い、リアクタ圧力を60〜75Torr(7999〜9999Pa)、n型基板2上に供給するIII族原料ガスとV族原料ガスの実流量比(V/III比)を140〜150以上としてn型基板2上にエピタキシャル層を成長することで、従来の基板厚さのもの(従来例3〜5)と同程度の反り量に抑えることができ、従来と同等の結果を得ることができた。
また、実施例8〜12におけるLED用エピタキシャルウェハを用いて作製したLED素子特性はどれも良好であり、チップ化プロセスでの歩留まりにも問題はなかった。
1 発光素子用エピタキシャルウェハ
2 n型基板
3 エピタキシャル層
4 第一バッファ層
5 第二バッファ層
6 n型クラッド層
7 第一アンドープガイド層
8 活性層
9 第二アンドープガイド層
10 p型第一クラッド層
11 エッチングストップ層
12 p型第二クラッド層
13 中間層
14 コンタクト層
2 n型基板
3 エピタキシャル層
4 第一バッファ層
5 第二バッファ層
6 n型クラッド層
7 第一アンドープガイド層
8 活性層
9 第二アンドープガイド層
10 p型第一クラッド層
11 エッチングストップ層
12 p型第二クラッド層
13 中間層
14 コンタクト層
Claims (5)
- n型基板上に、少なくともn型クラッド層、活性層、p型クラッド層を順次積層する化合物半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
前記n型基板として、ほぼ円形であるn型基板の直径を(a)、n型基板の厚さを(b)としたとき、(b)/(a)が0.0047以下であるn型基板を用いて作製したことを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。 - n型基板上に、少なくともn型クラッド層、活性層、p型クラッド層を順次積層する化合物半導体発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
前記n型基板として、ほぼ円形であるn型基板の直径を(a)、n型基板の厚さを(b)としたとき、(b)/(a)が0.0040以下であるn型基板を用いて作製したことを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。 - 加熱した基板上に、III族およびV族原料ガス、ドーピング原料およびキャリアガスを供給して、基板上に化合物半導体結晶を成長するMOVPE法で製造する発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法であって、
前記基板として、ほぼ円形である基板の直径を(a)、基板の厚さを(b)としたとき、(b)/(a)が0.0047以下である基板を用い、基板上に化合物半導体結晶を成長する際のリアクタ圧力を60〜75Torr(7999〜9999Pa)、基板上に供給するIII族原料ガスとV族原料ガスの実流量比(V/III比)を140〜150以上として基板上に化合物半導体結晶を成長することを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法。 - 加熱した基板上に、III族およびV族原料ガス、ドーピング原料およびキャリアガスを供給して、基板上に化合物半導体結晶を成長するMOVPE法で製造する発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法であって、
前記基板として、ほぼ円形である基板の直径を(a)、基板の厚さを(b)としたとき、(b)/(a)が0.0040以下である基板を用い、基板上に化合物半導体結晶を成長する際のリアクタ圧力を60〜75Torr(7999〜9999Pa)、基板上に供給するIII族原料ガスとV族原料ガスの実流量比(V/III比)を140〜150以上として基板上に化合物半導体結晶を成長することを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法。 - 前記基板のキャリア濃度がn型で0.5×1018〜1.5×1018cm-3である基板を用いて作製することを特徴とする請求項3または4に記載の発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法。
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