JP2010225612A - 発光ダイオード用エピタキシャルウェハ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易に光取出効率を向上することができる発光ダイオード用エピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】気相成長法を用いて、ｎ型導電性基板１上に、少なくとも、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層２、活性層３、ｐ型クラッド層４を有する発光部６と、ｐ型ＧａＰ電流分散層５と、を積層形成するＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法であって、ＧａＰ電流分散層５を形成する際に、ＧａＰ電流分散層５の表面側部で成長速度を高めることで、ＧａＰ電流分散層５の表面５ｃに凹凸を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光ダイオード用エピタキシャルウェハ及びその製造方法に関する。

高輝度発光ダイオード用エピタキシャルウェハを、ＭＯＶＰＥ（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：有機金属気相成長）法や、ハイドライドＶＰＥ法などの気相成長法によ
って作製する方法が知られている。

図４は、従来の発光ダイオード用エピタキシャルウェハを説明するための図である。図４に示された発光ダイオード用エピタキシャルウェハ４０は、ｎ型ＧａＡｓ基板４１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４２、ＡｌＧａＩｎＰ活性層４３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４４、ｐ型ＧａＰ電流分散層４５が、順に積層された構造を有する。ＧａＰ電流分散層４５の表面（主表面）４５ｃは、外部へ光を取り出すための光取出面となる。

上記発光ダイオード用エピタキシャルウェハ４０の製造方法を説明する。
先ず、ヒータにより加熱された基板４１上に、水素をキャリアガスとして、III族原料
となる、例えば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）を供給するとともに、Ｖ族原料となる、例えばＰＨ_３（ホスフィン）を供給する。基板４１上には、それら原料ガスの熱分解反応により、エピタキシャル層が成長する。

このように作製された発光ダイオード用エピタキシャルウェハの基板４１の裏面側にｎ側電極を形成し、ＧａＰ電流分散層４５上にｐ側電極等を形成し、ダイシングにより個々の素子ごとに分離することで、発光ダイオードのチップ（ベアチップ）が作製される。
上記ＧａＰ電流分散層４５の結晶成長の際、電流分散性を高めるためにｐ型不純物となるＭｇをドープするが、Ｍｇドーピング濃度は、キャリア濃度で２×１０^１８ｃｍ^−３以上に設定されることが多い。

このように形成されたＧａＰ電流分散層４５の表面４５ｃは鏡面であり、極めて高い平坦性を有する。

ところが、活性層４３から出力された光を全て外部へと取出すことは困難である。これは、活性層４３から発せられた光が、結晶中を伝搬する際に結晶に吸収されたり、ＧａＰ電流分散層４５の表面４５ｃと外部の空気との界面で全反射して、外部へ放射されないからである。

特に、気相成長法によって製造されるＧａＰ電流分散層４５の表面４５ｃは平坦性を有するので、ＧａＰ電流分散層４５の表面４５ｃと空気との界面で光の全反射が起こりやすい。このため、上記ウェハを用いた発光ダイオードでは、光の取出効率が低く、発光強度が低下する原因となっている。

そこで、従来、湿式のエッチングにより光取出面を粗面化する発光ダイオードの製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この発光ダイオードでは、光取出面に粗面（凹凸）が形成されているので、光取出面と空気との界面における光の全反射が抑えられる。

特開２０００−１９６１４１号公報

しかし、上記特許文献１に記載された発光ダイオードの製造方法では、エピタキシャル成長後に、光取出面に湿式のエッチングにより粗面を形成するというプロセスを必要とし、工程が複雑となり、製造コストの増大を招く。

本発明は、簡易にＧａＰ電流分散層の表面（光取出面）に凹凸を形成することができ、ＧａＰ電流分散層の表面における光の全反射を抑制して光の取出効率を向上することができる発光ダイオード用エピタキシャルウェハおよびその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は次のように構成されている。
本発明の第１の態様は、気相成長法を用いて、ｎ型導電性基板上に、少なくとも、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を有する発光部と、ｐ型ＧａＰ電流分散層と、を積層形成する発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法であって、前記ＧａＰ電流分散層を形成する際に、当該ＧａＰ電流分散層の基板側部の成長速度より表面側部の成長速度を高くし、前記ＧａＰ電流分散層の表面に凹凸を形成することを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法である。

本発明の第２の態様は、第１の態様の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法であって、前記ＧａＰ電流分散層の表面側部での成長速度は、４ｎｍ／ｓｅｃ以上８ｎｍ／ｓｅｃ以下であることを特徴とする。

本発明の第３の態様は、第１又は第２の態様の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法において、前記ＧａＰ電流分散層の表面側部の厚さは、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする。

本発明の第４の態様は、第１から第３の態様のいずれかの発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法において、ＧａＰ電流分散層の成長温度は、７００℃以上８００℃以下であることを特徴とする。

本発明の第５の態様は、第１から第４の態様のいずれかの発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法において、前記ｎ型導電性基板の表面は、当該ｎ型導電性基板の基準となる結晶面に対して１０°以上１５°以下傾斜していることを特徴とする。

本発明の第６の態様は、第１から第５の態様のいずれかの発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法において、前記ＧａＰ電流分散層にＭｇがｐ型不純物としてドープされていることを特徴とする。

本発明の第７の態様は、第１から第６の態様のいずれかの発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法により製造されていることを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハである。

本発明によれば、簡易にＧａＰ電流分散層の表面に凹凸を形成でき、ＧａＰ電流分散層の表面からの光の取出効率を向上することができる高輝度の発光ダイオード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ができる。

本発明の一実施形態に係る発光ダイオード（ＬＥＤ）用エピタキシャルウェハの断面構造を示す図である。 本発明の一実施例に係る発光ダイオード用エピタキシャルウェハの断面構造を示す図である。 比較例に係る発光ダイオード用エピタキシャルウェハの断面構造を示す図である。 従来の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの断面構造を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係るＡｌＧＩｎＰ系の発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）用エピタキシャルウェハ及びその製造方法について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るＬＥＤ用エピタキシャルウェハ１０の断面構造を示す図である。

本実施形態に係るＡｌＧａＩｎＰ系のＬＥＤ用エピタキシャルウェハ１０は、図１に示すように、ｎ型導電性基板１上に、少なくとも、（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ（０≦ｘ≦１，０＜ｙ≦１）からなるｎ型クラッド層２，活性層（発光層）３，ｐ型クラッド層４を有する発光部６と、ｐ型ＧａＰ電流分散層５と、が積層形成されている。発光部６は、ｎ型クラッド層２とｐ型クラッド層４との間に活性層３を備えるダブルヘテロ構造を有する。

ｐ型ＧａＰ電流分散層５は、図１に示すように、発光部６側に通常の成長速度（比較的低速）で形成される結晶性の良好な低速成長層５ａと、表面側部で成長速度を高めることで表面５ｃに凹凸（粗面）が形成された高速成長層５ｂとからなる。

次に、ＬＥＤ用エピタキシャルウェハ１０の製造方法を説明する。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法によりＬＥＤ用エピタキシャルウェハ１０を作製する。

先ず、ＭＯＶＰＥ装置内にｎ型導電性基板１を配置する。このｎ型導電性基板１としては、例えばｎ型ＧａＡｓ基板が用いられる。ｎ型導電性基板１は、そのｎ型導電性基板１の基準となる結晶面（例えば、ＧａＡｓ基板の（１００）面）に対して１０°から１５°傾斜した表面（成長面）を有するものが好ましい。
ｎ型導電性基板１に上記角度の傾斜面を採用するのは、ｐ型ドーパントのドーピング効率を良好とするためである。
続いて、ヒータにより約６５０℃加熱されたｎ型導電性基板１上に、III族原料ガス、
Ｖ族原料ガス、キャリアガス（水素ガスなど）、およびドーパント原料ガスを必要に応じて供給して、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層２と、活性層３と、ｐ型クラッド層４とを順次エピタキシャル成長させる。
ｐ型ドーパントとしては、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃなどを挙げることができる。また、ｎ型ドーパントとしては、Ｓｅ、Ｓｉ、Ｔｅなどを挙げることができる。

続いて、ｐ型クラッド層４上にｐ型ＧａＰ電流分散層５をエピタキシャル成長させる。ｐ型ＧａＰ電流分散層５には、例えばＭｇがｐ型不純物としてドープされる。
ｐ型ＧａＰ電流分散層５をｐ型クラッド層４上に形成する際に、ＧａＰ電流分散層５の表面側部の成長速度を、初期の成長速度と比べて高めることで、ＧａＰ電流分散層５の表面５ｃに故意に凹凸（粗面）を形成する。

詳細には、ＧａＰ電流分散層５を形成する際、初期の段階では、成長温度をｐ型クラッド層４の成長温度より高い温度（例えば７００°以上８００°以下、本実施形態では約７５０℃）、初期の成長速度を比較的に低い成長速度２．５ｎｍ／ｓｅｃにそれぞれ設定する。この成長条件では、原料であるＧａとＰが結晶表面に吸着すると、結晶表面上を移動（マイグレーション）するため、結晶性が良好なＧａＰの低速成長層５ａが形成される。この低速成長層５ａの表面は平坦性（鏡面）を有する。
続いて、ＧａＰ電流分散層５の表面側部を形成する際、成長速度を初期の成長速度２.
５ｎｍ／ｓｅｃより高める。具体的には成長速度を例えば４.０ｎｍ／ｓｅｃ以上にする
と、表面５ｃが凹凸形状の高速成長層５ｂが形成される。

上記ＧａＰ電流分散層５の表面側部での成長速度を高める方法としては、例えば、III
族原料（Ｇａ）及びＶ族原料（Ｐ）を含む供給ガス中のIII族原料（Ｇａ）の供給量を増
加させる。

なお、ＧａＰ電流分散層５の表面側部での高速成長層５ａの表面５ｃの成長速度が８．０ｎｍ／ｓｅｃより大きいと、ＧａＰ電流分散層５の曇りが強くなってプロセス上、問題となる。このため、ＧａＰ電流分散層５の表面側部での成長速度は、８．０ｎｍ／ｓｅｃ以下であることが好ましい。

この高速成長層５ｂの表面５ｃに形成された凹凸（粗面）を観察すると、白濁した表面状態となっている。これは、上記成長速度４．０ｎｍ／ｓｅｃ以上８．０ｎｍ／ｓｅｃ以下でエピタキシャル成長させると、原料であるＧａとＰが、結晶表面に吸着した際に、結晶表面上で十分に移動（マイグレーション）することができず、ＧａＰ電流分散層５の表面５ｃに凹凸が生じるためである。

この高速成長層５ｂの表面（光取出面）５ｃに形成された凹凸（粗面）は、詳細には、緻密かつ均一な凹凸を備えた表面状態であり、光学的に適度な乱反射面となっており、光の全反射を抑制することが可能である。

また、ＧａＰ電流分散層５の高速成長層５ｂの厚さは、２００ｎｍ以下であることが好ましい。高速成長層５ｂの厚さを２００ｎｍ以下とするのは次の理由からである。
ＧａＰ電流分散層の全てにおいて、成長速度を高めて成長することで、ＧａＰ電流分散層を白濁させ、均一な凹凸表面を作り出すことは可能である。しかしながら、このようにして作製したＬＥＤ用エピタキシャルウェハから得られるＬＥＤの発光強度は低く、通電試験を行うと、発光強度が通電時間の経過とともに短時間で低下する。つまりＬＥＤの信頼性が悪化する。これは、上記成長速度でＧａＰ電流分散層の全てを形成すると、結晶の質が低下し、ドープされたＭｇがＧａＰ層に留まらずに活性層３へ拡散し、発光強度が低下してしまうと共に、信頼性も悪化するものと考えられる。そこで、本実施形態のＧａＰ電流分散層５では先ず、結晶性の高い低速成長層５ａを形成し、その上に厚さ２００ｎｍ以下の高速成長層５ｂを形成している。このため、高い結晶性を有する低速成長層５ａで、ｐ型ドーパント（Ｍｇ）の拡散を抑制することが可能であり、発光強度や信頼性の低下を抑制することが可能である。

また、ＧａＰ電流分散層５の高速成長層５ｂの厚さは、成長条件などを考慮すると、１００ｎｍ以上が好ましい。従って、ＧａＰ電流分散層５の高速成長層５ｂの厚さは、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましい。

続いて、ｎ型導電性基板１の裏面とＧａＰ電流分散層５上にそれぞれｎ側電極，ｐ側電極を形成し、チップ作製プロセス等によりＬＥＤ（ベアチップ）を作製する。

本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法によりＧａＰ電流分散層５を形成する際、ＧａＰ電流分散層５の成長速度を表面側部で高めることで、例えば、チップ化後に湿式エッチングにより粗面化処理を施す場合と比べて、簡易にＧａＰ電流分散層５の表面（光取出面）５ｃに凹凸（粗面）を形成することができる。
つまり、ＧａＰ電流分散層５の結晶成長プロセス中、ＧａＰ電流分散層５の表面側部を形成する際に、凹凸（粗面）が形成される成長速度に変更するだけで、表面５ｃに凹凸（粗面）を形成することができ、製造工程を大幅に簡素化することができる。

また、本実施形態では、ＧａＰ電流分散層５の表面（光取出面）５ｃに、ＭＯＶＰＥ法により凹凸（粗面）が形成されているので、光取出面における光の全反射を抑制することが可能であり、光の取出効率を高めることができる。すなわち、高輝度のＬＥＤが得られる。

次に、本発明に係る一実施例を説明する。
図２は、本発明の一実施例に係るＡｌＧａＩｎＰ系のＬＥＤ用エピタキシャルウェハ２０の断面構造を示す図である。
本実施例に係るＡｌＧａＩｎＰ系のＬＥＤ用エピタキシャルウェハ２０は、基板１とｎ型クラッド層２との間にバッファ層７が形成されており、それ以外の構成は図１に示されたＬＥＤ用エピタキシャルウェハ１０と同様である。

（実施例１）
Ｓｉドープのｎ型ＧａＡｓ基板１をヒータによって６５０°に加熱しながら、ＧａＡｓ基板１にキャリアガスとして水素を用いて、III族原料の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族原料のＰＨ_３（ホスフィン）、ドーパント原料のＨ_２Ｓｅ（セレン化水素）、Ｃｐ_２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）を、必要に応じて供給して、Ｓｉドープのｎ型ＧａＡｓ基板１上に、Ｓｅドープのｎ型ＧａＡｓバッファ層７、Ｓｅドープのｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２、アンドープのＡｌＧａＩｎＰ活性層３、Ｍｇドープのｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４を順に形成した。ＧａＡｓ基板１には、その表面（成長面）が（１００）面に対して１５°傾斜したものを用いた。

次に、ヒータによりＧａＡｓ基板１の基板温度を７５０°に昇温した状態で、Ｍｇドープのｐ型ＧａＰ電流分散層５の低速成長層５ａを形成した。初期の成長速度は、２．５ｎｍ／ｓｅｃに設定した。
続いて、そのＧａＰ電流分散層５の表面側部で成長速度を４．０ｎｍ／ｓｅｃに高めることで、高速成長層５ｂを形成した。高速成長層５ｂの表面５ｃには、凹凸（粗面）が形成された。

上記実施例に係るＬＥＤ用エピタキシャルウェハ２０の製造方法により形成されたエピタキシャルウェハ２０及び各エピタキシャル層のキャリア濃度，膜厚等は以下の通りである。
Ｓｉドープのｎ型ＧａＡｓ基板１は、キャリア濃度１．０×１０^１８ｃｍ^−３であり、ＳｅドープのＧａＡｓバッファ層７は、膜厚１００ｎｍ，キャリア濃度１．０×１０^１８ｃｍ^−３であり、Ｓｅドープのｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２は、膜厚１０００ｎｍ，キャリア濃度６．０×１０^１７ｃｍ^−３であり、アンドープのＡｌＧａＩｎＰ活性層３は膜厚５．０ｎｍであり、Ｍｇドープのｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド４は、膜厚１０００ｎｍ，キャリア濃度７．０×１０^１７ｃｍ^−３であり、ＭｇドープのＧａＰ電流分散層５の低速成長層５ａは、膜厚８０００ｎｍ，キャリア濃度３．５×１０^１８であり、Ｍｇドー
プのＧａＰ電流分散層５の高速成長層５ｂは膜厚２００ｎｍであり、キャリア濃度７．０×１０^１８ｃｍ ^−３である。

このようにして作製されたＧａＰ電流分散層５の表面５ｃを肉眼にて観察すると白濁していた。顕微鏡で観察すると、ＧａＰ電流分散層５の高速成長層５ｂの表面５ｃに、均一で微小な凹凸（粗面）が形成されていた。
上述したように作製されたエピタキシャルウェハ２０の基板１の裏面にｎ側電極を形成し、ＧａＰ電流分散層５上にｐ側電極を形成し、チップ作製プロセス等によりＬＥＤチップを作製した。そのＬＥＤチップに２０ｍＡの電流を流して発光させると、表１に示すように、発光強度が１３５ｍｃｄであった。

（実施例２）
実施例２では、ＧａＰ電流分散層５の表面側部の高速成長層５ｂを形成する際に、成長速度を５．０ｎｍ／ｓｅｃに設定した以外は、実施例１と同じ条件でエピタキシャルウェハ２０を作製した。ＧａＰ電流分散層５の高速成長層５ｂの表面５ｃには凹凸（粗面）が形成された。そして、実施例１と同様にＬＥＤチップを作製して、２０ｍＡの電流を流して発光させると、表１に示すように、発光強度が１３２ｍｃｄであった。

（比較例１から比較例４）
図３は、比較例１から比較例４に係るＡｌＧａＩｎＰ系のＬＥＤ用エピタキシャルウェハ３０の断面構造を示す図である。
ＧａＰ電流分散層３５の表面側部の高速成長層５ｂの成長速度を、表１に示すように、比較例１では１．５ｎｍ／ｓｅｃに設定し、比較例２では２．０ｎｍ／ｓｅｃに設定し、比較例３では成長速度を２．５ｎｍ／ｓｅｃに設定し、比較例４では成長速度を３．５ｎｍ／ｓｅｃに設定した。これ以外は、実施例１と同じ条件でＡｌＧａＩｎＰ系のＬＥＤ用エピタキシャルウェハ３０を作製した。ＧａＰ電流分散層３５の表面３５ｃには、図３に示すように、鏡面が形成された。

続いて、上記比較例１〜比較例４それぞれにおいて、実施例１，実施例２と同様にＬＥＤを作製して、２０ｍＡの電流を流して発光させて、発光強度を測定した。その結果、表１に示すように、比較例１，比較例２，比較例３，比較例４，では、それぞれ発光強度が１００ｍｃｄ，１１０ｍｃｄ，１１０ｍｃｄ，１１２ｍｃｄとなった。

上述したように実施例１及び実施例２に係るＬＥＤ用エピタキシャルウェハ１０を用いて作製されたＬＥＤでは、ＧａＰ電流分散層５の高速成長層５ｂの表面（光取出面）５ｃに凹凸（粗面）が形成されているので、全反射を低減することができ、発光強度が比較例１〜比較例４と比べて約１５％〜３０％程度大きい。

１ ｎ型ＧａＡｓ基板（ｎ型導電性基板）
２ ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
３ ＡｌＧａＩｎＰ活性層
４ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
５ ｐ型ＧａＰ電流分散層
５ａ ＧａＰ低速成長層
５ｂ ＧａＰ高速成長層
５ｃ 凹凸形状の表面
６ 発光部
７ バッファ層
１０，２０ ＡｌＧａＩｎＰ系のＬＥＤ用エピタキシャルウェハ

Claims (7)

1. 気相成長法を用いて、ｎ型導電性基板上に、少なくとも、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を有する発光部と、ｐ型ＧａＰ電流分散層と、を積層形成する発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法であって、
   前記ＧａＰ電流分散層を形成する際に、当該ＧａＰ電流分散層の基板側部の成長速度より表面側部の成長速度を高くし、前記ＧａＰ電流分散層の表面に凹凸を形成することを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法。
2. 前記ＧａＰ電流分散層の表面側部での成長速度は、４ｎｍ／ｓｅｃ以上８ｎｍ／ｓｅｃ以下であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法。
3. 前記ＧａＰ電流分散層の表面側部の厚さは、１００ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法。
4. 前記ＧａＰ電流分散層の成長温度は、７００℃以上８００℃以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法。
5. 前記ｎ型導電性基板の表面は、当該ｎ型導電性基板の基準となる結晶面に対して１０°以上１５°以下傾斜していることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法。
6. 前記ＧａＰ電流分散層にＭｇがｐ型不純物としてドープされていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法により製造されていることを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。

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