JP2011040487A - Method for manufacturing group-iii nitride semiconductor light emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発光層形成時のウェハの反りを抑制することができるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device capable of suppressing warpage of a wafer when forming a light emitting layer.
サファイア基板を用いてIII 族窒化物半導体発光素子を作製する場合、まず、サファイア基板上にバッファ層を介してn層を数μm形成し、その後にInを含むIII 族窒化物半導体層を含んだ発光層を形成している。このとき、n層は1000〜1100℃程度の成長温度で形成するのに対し、発光層はInの離脱を抑えて結晶性をよくするために700〜800℃の成長温度で形成するので、発光層形成時に温度を下げる必要がある。 When a group III nitride semiconductor light emitting device is manufactured using a sapphire substrate, first, an n layer is formed on the sapphire substrate via a buffer layer, and then a group III nitride semiconductor layer containing In is included. A light emitting layer is formed. At this time, the n layer is formed at a growth temperature of about 1000 to 1100 ° C., whereas the light emitting layer is formed at a growth temperature of 700 to 800 ° C. in order to suppress the separation of In and improve crystallinity. It is necessary to lower the temperature when forming the layer.
ところが、温度を1000〜1100℃から700〜800℃に下げると、サファイア基板とn層との熱膨張係数差、格子定数差の影響により、ウェハがn層側に向かって凸状に反ってしまう。このようにウェハが反ると、ウェハの中央部がサセプタから若干浮いた状態となり、サセプタからウェハへ均等に熱が伝わらず、ウェハ面内の温度分布に偏りが生じる。このような温度分布に偏りが生じた状態で発光層を形成すると、発光層の組成や厚さにばらつきを生じてしまい、その結果、ウェハ面内の発光波長にばらつきを生じてしまう。 However, when the temperature is lowered from 1000 to 1100 ° C. to 700 to 800 ° C., the wafer warps in a convex shape toward the n layer side due to the influence of the difference in thermal expansion coefficient and lattice constant between the sapphire substrate and the n layer. . When the wafer is warped in this manner, the central portion of the wafer is slightly lifted from the susceptor, and heat is not evenly transferred from the susceptor to the wafer, and the temperature distribution in the wafer surface is biased. When the light emitting layer is formed in such a state where the temperature distribution is biased, the composition and thickness of the light emitting layer vary, and as a result, the light emission wavelength within the wafer surface varies.
上記のような発光層形成時のウェハの反りを抑制する技術として、特許文献1、2がある。特許文献1には、サファイア基板に溝を形成し、その溝によって熱膨張差を吸収することで反りを緩和する方法が示されている。また、特許文献2には、サファイア基板を厚くすることで反りを抑制する方法と、ニュートンリングの観察によってウェハの反りを把握し、反りの状態に応じて温度を調整する方法の2つが示されている。 There are Patent Documents 1 and 2 as techniques for suppressing the warpage of the wafer when forming the light emitting layer as described above. Patent Document 1 discloses a method of reducing warpage by forming a groove in a sapphire substrate and absorbing the difference in thermal expansion by the groove. Patent Document 2 discloses two methods: a method of suppressing warpage by increasing the thickness of the sapphire substrate, and a method of grasping the warpage of the wafer by observing Newton rings and adjusting the temperature according to the state of warpage. ing.
しかし、特許文献1のようにサファイア基板に溝を形成すると、発光層が溝に沿うように凹凸状に形成されてしまい、発光層の厚さや組成比にばらつきを生じ、ウェハ面内の発光波長のばらつきを抑えることはできない。 However, when a groove is formed in a sapphire substrate as in Patent Document 1, the light emitting layer is formed in an uneven shape along the groove, resulting in variations in the thickness and composition ratio of the light emitting layer, and the emission wavelength within the wafer surface. It is not possible to suppress the variation of.
また、特許文献2のようにサファイア基板を厚くする方法では、その後のチップ化工程が難しく、サファイア基板の薄膜化に時間がかかったり、サファイア基板の除去が必要となってしまい、製造時間の長大化、多工程化を招いてしまう。また、反りの状態に応じて温度を調整する方法は、具体的にどのように温度制御をすればウェハ面内の温度分布を制御できるのか特許文献2中に記載がなく、そのような温度制御は実際上困難である。 Further, in the method of increasing the thickness of the sapphire substrate as in Patent Document 2, the subsequent chip formation process is difficult, and it takes time to reduce the thickness of the sapphire substrate, and it is necessary to remove the sapphire substrate, resulting in a long manufacturing time. And multi-step process. Further, as a method for adjusting the temperature according to the state of warpage, there is no description in Patent Document 2 as to how the temperature distribution in the wafer surface can be controlled by specifically controlling the temperature. Is practically difficult.
そこで本発明の目的は、簡便な方法によって発光層形成時のウェハの反りを抑制し、ウェハ面内の発光波長のばらつきを抑えることができるIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device capable of suppressing wafer warpage during formation of a light emitting layer by a simple method and suppressing variations in emission wavelength within the wafer surface. It is in.
第1の発明は、サファイア基板上に、III 族窒化物半導体からなるn層、発光層、p層が順に形成され、発光層をn層の形成温度よりも低い温度で形成するIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法において、n層中に、n層よりも格子定数の小さいIII 族窒化物半導体からなる湾曲緩和層を形成する、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。 In a first invention, an n layer, a light emitting layer, and a p layer made of a group III nitride semiconductor are sequentially formed on a sapphire substrate, and the light emitting layer is formed at a temperature lower than the formation temperature of the n layer. A method for manufacturing a group III nitride semiconductor light-emitting device, characterized in that a bending relaxation layer made of a group III nitride semiconductor having a lattice constant smaller than that of the n layer is formed in the n layer. It is.
ここで、III 族窒化物半導体とは、一般式Alx Gay Inz N(x+y+z=1、0≦x、y、z≦1)で表される化合物半導体であり、Al、Ga、Inの一部を他の第13族元素であるBやTlで置換したもの、Nの一部を他の第15族元素であるP、As、Sb、Biで置換したものをも含むものとする。n型不純物にはSi、p型不純物にはMgが通常用いられる。III 族窒化物半導体では、Al組成比を大きくすると格子定数は減少し、In組成比を大きくすると格子定数は増大する。
Here, the group III nitride semiconductor is a compound semiconductor represented by the general formula Al x Ga y In z N (x + y + z = 1, 0 ≦ x, y, z ≦ 1), and includes Al, Ga, and In. It also includes those in which part is substituted with
また、本発明にいう「n層の形成温度」は、n層が複数の層で構成され、それらの層の形成温度が異なる場合には、それらの層の形成温度のうち最も低い形成温度をいう。また、本発明における「発光層をn層の形成温度よりも低い温度で形成する」とは、発光層がMQW構造など複層であり、それらの層の形成温度が異なる場合には、それらの層の形成温度のうち最も低い形成温度が、「n層の形成温度」よりも低い温度である場合をいう。 The “n layer formation temperature” referred to in the present invention is the lowest formation temperature among the layer formation temperatures when the n layer is composed of a plurality of layers and the formation temperatures of these layers are different. Say. In the present invention, “the light emitting layer is formed at a temperature lower than the formation temperature of the n layer” means that the light emitting layer is a multi-layer such as an MQW structure and the formation temperature of these layers is different. This refers to the case where the lowest formation temperature among the layer formation temperatures is lower than the “n layer formation temperature”.
また、「n層よりも格子定数の小さい」とは、n層が格子定数の異なる複数の層で構成されている場合には、n層を構成する複数の層のうち、最も格子定数の小さい層よりも格子定数が小さいことを意味する。 In addition, “the lattice constant is smaller than that of the n layer” means that when the n layer is composed of a plurality of layers having different lattice constants, the lattice constant is the smallest among the plurality of layers constituting the n layer. It means that the lattice constant is smaller than that of the layer.
湾曲緩和層は、n層よりも格子定数の小さなIII 族窒化物半導体からなるものであればよい。湾曲緩和層の格子定数、厚さ、挿入位置は、n層の形成後に発光層の形成温度まで降温した時点で、最もウェハが平坦となる値であることが望ましい。湾曲緩和層の格子定数はAl、Ga、Inの組成比によって制御することができ、他の不純物などによって格子定数を制御してもよい。特に、形成の容易さ、組成比の調整のし易さから3元系のAlGaNが望ましい。 The bending relaxation layer may be made of a group III nitride semiconductor having a lattice constant smaller than that of the n layer. It is desirable that the lattice constant, thickness, and insertion position of the bending relaxation layer have values that allow the wafer to be flattened when the temperature is lowered to the formation temperature of the light emitting layer after forming the n layer. The lattice constant of the bending relaxation layer can be controlled by the composition ratio of Al, Ga, and In, and the lattice constant may be controlled by other impurities. In particular, ternary AlGaN is desirable because of its ease of formation and easy adjustment of the composition ratio.
湾曲緩和層をAlGaNとする場合には、湾曲緩和層のAl組成比、厚さ、挿入位置は、n層の形成後に発光層の形成温度まで降温した時点で、最もウェハが平坦となる値であることが望ましい。Al組成比は20〜100%とするのが望ましい。これよりもAl組成比が低いと、ウェハの反りを減少させる効果が十分でないため望ましくない。より望ましいAl組成比は30〜40%である。また、湾曲緩和層の厚さは、100Å以下であることが望ましい。これによりも厚いと、湾曲緩和層の挿入によって発生する反りと逆方向への応力が大きすぎ、ウェハが逆側に反ってしまうため望ましくない。より望ましいのは20〜40Åである。湾曲緩和層のn層中における位置は、サファイア基板のn層側表面から、n層の厚さに対して20%〜80%の位置とするのがよい。この範囲であれば、発光層形成時において良好に反りを軽減することができる。 When the bending relaxation layer is made of AlGaN, the Al composition ratio, thickness, and insertion position of the bending relaxation layer are the values at which the wafer is flattened when the temperature is lowered to the formation temperature of the light emitting layer after forming the n layer. It is desirable to be. The Al composition ratio is desirably 20 to 100%. If the Al composition ratio is lower than this, it is not desirable because the effect of reducing the warpage of the wafer is not sufficient. A more desirable Al composition ratio is 30 to 40%. Further, the thickness of the bending relaxation layer is desirably 100 mm or less. If the thickness is too thick, the stress in the opposite direction to the warp caused by the insertion of the bending relaxation layer is too large, which is not desirable because the wafer warps in the opposite direction. More preferably, it is 20-40cm. The position of the bending relaxation layer in the n layer is preferably 20% to 80% with respect to the thickness of the n layer from the n layer side surface of the sapphire substrate. If it is this range, a curvature can be reduced favorably at the time of light emitting layer formation.
また、湾曲緩和層の成長温度は、n層の形成温度に近いことが望ましい。また、湾曲緩和層12にはn型不純物がドープされていてもよい。
The growth temperature of the bending relaxation layer is preferably close to the formation temperature of the n layer. Further, the
n層の詳細な構成は、従来より知られる種々の構成であってよい。たとえば、サファイア基板側から、nコンタクト層、nクラッド層が順に形成された構成であってもよく、さらにnコンタクト層とnクラッド層との間に、静電耐圧特性を高めるためにESD層を有した構成であってもよい。n層がこのような構成をとる場合、湾曲緩和層は通常nコンタクト層に挿入される。さらに、nコンタクト層、ESD層、nクラッド層は、n型不純物濃度や組成の異なる複数の層から構成されていてもよく、超格子構造をとっていてもよい。 The detailed configuration of the n layer may be various configurations conventionally known. For example, an n contact layer and an n clad layer may be formed in this order from the sapphire substrate side, and an ESD layer may be provided between the n contact layer and the n clad layer in order to enhance electrostatic withstand voltage characteristics. You may have the structure. When the n layer has such a configuration, the bending relaxation layer is usually inserted into the n contact layer. Furthermore, the n contact layer, ESD layer, and n clad layer may be composed of a plurality of layers having different n-type impurity concentrations and compositions, and may have a superlattice structure.
発光層は、通常は井戸層と障壁層とが繰り返し形成されたMQW構造であるが、SQW構造などであってもよい。 The light emitting layer usually has an MQW structure in which a well layer and a barrier layer are repeatedly formed, but may have an SQW structure or the like.
p層もまた、従来より知られる種々の構成であってよい。たとえば、発光層側から、pクラッド層、pコンタクト層が順に形成された構成である。pクラッド層やpコンタクト層は、p型不純物濃度や組成の異なる複数の層から構成されていてもよく、超格子構造をとっていてもよい。 The p layer may also have various conventionally known configurations. For example, a p-cladding layer and a p-contact layer are sequentially formed from the light emitting layer side. The p-clad layer and the p-contact layer may be composed of a plurality of layers having different p-type impurity concentrations and compositions, and may have a superlattice structure.
p層表面側からエッチングしてn層を露出させ、露出したn層上にn電極を設ける場合には、n電極は湾曲緩和層と発光層との間のn層に接するよう設けることが望ましい。湾曲緩和層とサファイア基板との間のn層に接してn電極を設けると、電流が湾曲緩和層を流れて駆動電圧が上昇してしまい望ましくない。 When the n layer is exposed by etching from the p layer surface side and an n electrode is provided on the exposed n layer, the n electrode is preferably provided in contact with the n layer between the bending relaxation layer and the light emitting layer. . Providing an n electrode in contact with the n layer between the bending relaxation layer and the sapphire substrate is not desirable because current flows through the bending relaxation layer and the drive voltage increases.
第2の発明は、第1の発明において、n層は、サファイア基板側からnコンタクト層、nクラッド層の順に形成された構成であり、nコンタクト層はn−GaNであり、湾曲緩和層はnコンタクト層中に形成され、湾曲緩和層は、n−AlGaNからなることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。 According to a second invention, in the first invention, the n layer has a configuration in which an n contact layer and an n cladding layer are formed in this order from the sapphire substrate side, the n contact layer is n-GaN, and the bending relaxation layer is The method of manufacturing a group III nitride semiconductor light-emitting device, wherein the bending relaxation layer is formed of n-AlGaN and formed in the n-contact layer.
第3の発明は、第2の発明において、湾曲緩和層の厚さは、100Å以下であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。 A third invention is the method for producing a group III nitride semiconductor light emitting device according to the second invention, wherein the bending relaxation layer has a thickness of 100 mm or less.
第4の発明は、第2の発明または第3の発明において、湾曲緩和層のAl組成比は、20〜100%であることを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。 A fourth invention is a method for producing a group III nitride semiconductor light emitting device according to the second invention or the third invention, wherein the Al composition ratio of the bending relaxation layer is 20 to 100%.
第5の発明は、第2の発明から第4の発明において、湾曲緩和層は、サファイア基板とn層の界面から発光層側に、n層の厚さに対して20〜80%の厚さの位置に形成される、ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法である。 In a fifth aspect based on the second aspect to the fourth aspect, the bending relaxation layer has a thickness of 20 to 80% of the thickness of the n layer from the interface between the sapphire substrate and the n layer to the light emitting layer side. The method of manufacturing a group III nitride semiconductor light-emitting device, characterized by being formed at a position of
本発明によれば、n層中に格子定数がn層よりも小さなIII 族窒化物半導体からなる湾曲緩和層を設けることによって、サファイア基板とn層との熱膨張係数差、格子定数差に起因する応力とは反対方向に応力が発生するため、発光層を形成する温度としたときのウェハの反りを小さくすることができる。これにより、熱はウェハに均等に伝わり、温度分布の偏りが解消されるので、厚さ、組成のばらつきを抑えて発光層を形成することができる。その結果、発光波長のばらつきを抑制することができ、歩留まりが向上する。また、本発明では、サファイア基板の径と厚さ、n層の厚さと形成温度、および発光層の形成温度に応じて、湾曲緩和層の格子定数、厚さ、挿入位置を調整すれば、発光層形成時のウェハの反りを減少させることができ、発光波長のばらつきをさらに減少させることができる。 According to the present invention, by providing a bending relaxation layer made of a group III nitride semiconductor having a lattice constant smaller than that of the n layer in the n layer, the thermal expansion coefficient difference between the sapphire substrate and the n layer is caused by the lattice constant difference. Since stress is generated in a direction opposite to the stress to be generated, the warpage of the wafer when the temperature is set to form the light emitting layer can be reduced. Thus, heat is evenly transmitted to the wafer and the uneven temperature distribution is eliminated, so that the light emitting layer can be formed while suppressing variations in thickness and composition. As a result, variation in emission wavelength can be suppressed, and yield is improved. Further, in the present invention, if the lattice constant, the thickness, and the insertion position of the bending relaxation layer are adjusted according to the diameter and thickness of the sapphire substrate, the thickness and formation temperature of the n layer, and the formation temperature of the light emitting layer, light emission Wafer warpage during layer formation can be reduced, and variations in emission wavelength can be further reduced.
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the examples.
実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法について、図1を参照に説明する。 A method for manufacturing the Group III nitride semiconductor light-emitting device of Example 1 will be described with reference to FIG.
まず、厚さ500μm、直径3インチで表面に凹凸加工が施されたサファイア基板10を用意し、サファイア基板10を水素雰囲気中で加熱してクリーニングを行い、サファイア基板10表面の付着物を除去した。その後、MOCVD法によって、サファイア基板10の凹凸形成側の表面上にAlNからなるバッファ層(図示しない)を介してSiをドープしたn−GaNからなるnコンタクト層11を1000〜1100℃で形成した。キャリアガスには水素と窒素、窒素源にはアンモニア、Ga源にはTMG(トリメチルガリウム)、Al源にはTMA(トリメチルアルミニウム)、n型ドーパント源にはSiH4 (シラン)を用いた(図1.A)。
First, a
続いてノンドープのAlGaNからなる湾曲緩和層12を、MOCVD法によって温度950℃で形成した。キャリアガス、窒素源、Ga源、Al源、n型ドーパント源のガスは、nコンタクト層11を形成するときと同様である。湾曲緩和層12の厚さは20〜40Å、Al組成比は20〜40%である。なお、湾曲緩和層12の形成温度は、ウェハの反りの緩和という目的から、なるべくnコンタクト層11の形成温度に近い温度であることが望ましい。
Subsequently, a bending
続いて湾曲緩和層12上に再びMOCVD法によってnコンタクト層11を形成した。これにより、nコンタクト層11中に湾曲緩和層12が挿入された構造が形成された(図1.B)。nコンタクト層11の厚さは5.1μmであり、湾曲緩和層12の挿入位置は、サファイア基板10のnコンタクト層11が形成されている側の表面からnコンタクト層11に向かって、nコンタクト層11の厚さの30〜60パーセントの厚さの位置、すなわち、1.53〜3.06μmの位置である。
Subsequently, the
次に、nコンタクト層11上にMOCVD法によってESD層13を850℃で形成し、さらにESD層13上にMOCVD法によってnクラッド層14を形成した(図1.C)。ESD層13は、静電耐圧特性を向上させるために設けるものであり、nコンタクト層11側から、i−GaNとn−GaNが積層された構造である。また、nクラッド層14は、i−GaNとi−InGaNが交互に繰り返し形成された超格子構造であり、nクラッド層14のi−GaNは850℃、i−InGaNは850℃で形成した。ESD層13、nクラッド層14の形成において、キャリアガス、窒素源、Ga源、Al源、n型ドーパント源のガスは、nコンタクト層11を形成するときと同様であり、In源にはTMI(トリメチルインジウム)を用いた。
Next, an
次に、nクラッド層14上にMOCVD法によって発光層15を形成した(図1.D)。発光層15はInGaNとAlGaNが交互に繰り返し積層されたMQW構造であり、InGaNは700〜900℃で形成し、AlGaNは800〜950℃で形成した。また、キャリアガス、窒素源、Ga源、Al源、In源のガスはnクラッド層14形成時と同様である。
Next, the
ここで、nコンタクト層11の形成温度が1000〜1100℃であるのに対して発光層15のInGaNの形成温度が700〜900℃であるため、サファイア基板10とnコンタクト層11との熱膨張係数差、格子定数差に起因して、サファイア基板10からnコンタクト層11に向かって凸にウェハを反らせる応力が生じる。一方、GaNからなるnコンタクト層11よりも格子定数の小さいAlGaNからなる湾曲緩和層12がnコンタクト層11に挿入されているため、nコンタクト層11と湾曲緩和層12との格子定数差に起因してウェハを反らせる方向とは反対方向に応力が生じる。この応力によってウェハを凸に反らせる応力の一部ないし全部を打ち消すことができるため、発光層15の形成時において、ウェハの反りは低減される。その結果、ウェハ面内における温度分布のばらつきが低減され、発光層15の組成、厚さのばらつきも低減される。なお、発光層15形成時のウェハの反り量は、サファイア基板10の厚さと径、サファイア基板10のnコンタクト層11側表面からnクラッド層14までの形成温度と厚さ、および発光層15の形成温度に応じて、湾曲緩和層12の格子定数、厚さ、挿入位置を調整することで、低減することが可能である。
Here, since the formation temperature of the n-
次に、発光層15上にMgドープのpクラッド層16、pコンタクト層17をMOCVD法によって形成した(図1.E)。pクラッド層16は、たとえばMgドープのInGaNとMgドープのAlGaNが交互に繰り返し形成された超格子構造である。また、pコンタクト層17はMgドープのGaNである。キャリアガス、窒素源、Ga源、Al源、In源のガスは上記と同様であり、p型ドーパント源にはCp2 Mg(ビスシクロペンタジエニルマグネシウム)を用いた。
Next, an Mg-doped p clad
次に、熱処理によってMgを活性化させてp型化させたのち、所定の領域にpコンタクト層17表面から、湾曲緩和層12とESD層13とに挟まれた領域のnコンタクト層11に達する溝を、ドライエッチングによって形成した。そして、pコンタクト層17上のほぼ全面にITOからなる透明電極18を形成し、透明電極18上にp電極19を形成し、溝により露出したnコンタクト層11上にn電極20を形成した(図1.F)。ここで、n電極20形成のための溝の深さを、湾曲緩和層12を貫通して湾曲緩和層12とサファイア基板10とに挟まれた領域のnコンタクト層11に達する深さとするのは望ましくない。そのようにすると、電流が湾曲緩和層12を流れるため駆動電圧の上昇などの問題が生じてしまうからである。また、p電極19は、素子面方向の電流拡散性を向上させるために、格子状、櫛歯状などの配線状パターンに形成してもよい。以上が実施例1のIII 族窒化物半導体発光素子の製造工程である。
Next, Mg is activated by heat treatment to be p-type, and then reaches a predetermined region from the surface of the
図2は、湾曲緩和層12の厚さを20Å、40Åとした場合および湾曲緩和層12を設けなかった場合において、同一ウェハから得られた各III 族窒化物半導体発光素子の発光波長を調べ、同一ウェハから得られた全素子数に対する発光波長ごとの素子数の割合をグラフで示したものである。湾曲緩和層12のAlの組成比は30%、湾曲緩和層12の挿入位置はESD層13とnコンタクト層11との界面からサファイア基板10方向に3μmの深さとした。また、図2の発光波長分布から発光波長の標準偏差を求めたところ、湾曲緩和層12を設けない場合は標準偏差2.97nm、20Åの湾曲緩和層12を挿入した場合は標準偏差2.47nm、40Åの湾曲緩和層12を挿入した場合は標準偏差1.58nmであった。
FIG. 2 shows the emission wavelength of each group III nitride semiconductor light-emitting element obtained from the same wafer when the thickness of the bending
図2の発光波長分布の結果から、湾曲緩和層12を設けない場合には、発光波長および発光層15の組成がウェハ面内でばらついていることがわかり、発光層15形成時に、ウェハが反ってウェハ面内の温度分布に偏りが生じていたものと推察される。また、20Åの湾曲緩和層12を挿入すると、湾曲緩和層12を設けない場合よりも発光波長のばらつきおよび発光層の組成のばらつきがやや低減され、40Åの湾曲緩和層12を挿入するとさらにばらつきが低減されていることがわかる。これは、nコンタクト層11よりも格子定数が小さなAlGaNからなる湾曲緩和層12を挿入することにより、nコンタクト層11と湾曲緩和層12との格子定数差に起因する応力が発生し、その応力がサファイア基板10とnコンタクト層11との熱膨張係数差、格子定数差に起因する応力とは反対方向であるために、ウェハの反りが緩和された結果であると考えられる。そして、反りが緩和されたことにより、ウェハ面内の温度分布の偏りが緩和され、発光層の組成のばらつきが抑えられたものと考えられる。また、湾曲緩和層12が厚いほど、ウェハを反らせる方向とは反対方向に発生する応力が大きくなり、反りを緩和する効果が高いものと考えられる。しかし、湾曲緩和層12が厚すぎると、発生する応力が大きすぎて逆方向にウェハを反らせてしまい、かえって波長をばらつかせてしまう可能性がある。また、湾曲緩和層12はAlGaNからなるため、厚く形成すると結晶性の悪さから駆動電圧の上昇などの問題を生じてしまう可能性がある。したがって、湾曲緩和層12の厚さは100Å以下とするのが望ましいと思われる。
From the result of the emission wavelength distribution of FIG. 2, it can be seen that when the bending
図2の結果からの考察をまとめると、ウェハ面内における発光波長のばらつきを抑えるためには、湾曲緩和層12の厚さを100Å以下とするのが望ましく、20〜40Åとするのがさらに望ましいとわかった。
To summarize the considerations from the results of FIG. 2, in order to suppress variations in the emission wavelength in the wafer surface, the thickness of the bending
図3は、AlGaNからなる湾曲緩和層12のAlの組成比を20%、30%、40%とした場合および湾曲緩和層12を設けなかった場合において、同一ウェハから得られた各III 族窒化物半導体発光素子の発光波長を調べ、同一ウェハから得られた全素子数に対する発光波長ごとの素子数の割合をグラフで示したものである。湾曲緩和層12の厚さは40Å、湾曲緩和層12の挿入位置はESD層13とnコンタクト層11との界面から3μmの深さとした。図3の発光波長分布から発光波長の標準偏差を求めたところ、湾曲緩和層12を設けない場合は標準偏差2.97nm、Al組成比20%の湾曲緩和層12を挿入した場合は標準偏差2.05nm、Al組成比30%の湾曲緩和層12を挿入した場合は標準偏差1.58nm、Al組成比40%の湾曲緩和層12を挿入した場合は標準偏差1.44nmであった。
FIG. 3 shows the respective group III nitrides obtained from the same wafer when the Al composition ratio of the bending
図3の発光波長分布の結果から、Al組成比20%の湾曲緩和層12を挿入すると、湾曲緩和層12を設けない場合よりも発光波長のばらつきおよび発光層の組成のばらつきがやや低減され、Al組成比30、40%の湾曲緩和層12を挿入するとさらにばらつきが低減されていることがわかる。これは、Al組成比が大きいほどGaNからなるnコンタクト層11との格子定数差が大きくなり、ウェハに反りを生じさせている応力とは反対方向への応力が大きくなるためであると考えられる。また、Al組成比がある値を越えると、湾曲緩和層12の挿入によって生じる応力がウェハに反りを生じさせている応力よりも大きくなり、ウェハを逆に反らせることになるため、次第に発光波長のばらつきも増えていくものと思われる。
From the result of the emission wavelength distribution of FIG. 3, when the bending
図3の結果からの考察をまとめると、ウェハ面内における発光波長のばらつきを抑えるためには、湾曲緩和層12のAl組成比を20〜100%とするのが望ましく、30〜40%とするのがさらに望ましいとわかった。
To summarize the considerations from the results of FIG. 3, in order to suppress the variation in the emission wavelength in the wafer surface, the Al composition ratio of the bending
図4は、湾曲緩和層12の挿入位置を、ESD層13とnコンタクト層11との界面からnコンタクト層11方向に2.0μm、2.5μm、3.0μmの深さ(サファイア基板10のnコンタクト層11形成側の表面から3.1μm、2.6μm、2.1μmの位置)とした場合、および湾曲緩和層12を設けなかった場合において、同一ウェハから得られた各III 族窒化物半導体発光素子の発光波長を調べ、同一ウェハから得られた全素子数に対する発光波長ごとの素子数の割合をグラフで示したものである。湾曲緩和層12のAlの組成比は30%、厚さは40Åとした。なお、いずれの場合もnコンタクト層11の全体の厚さは5.1μmであり変えていない。また、ESD層13とnコンタクト層11との界面からnコンタクト層11方向に2.0μm、2.5μm、3.0μmの深さは、nコンタクト層11全体の厚さに対して、それぞれ約40%、約50%、約60%の深さである。
4 shows the insertion position of the bending
図4の発光波長分布の結果から、湾曲緩和層12の挿入位置が深いほど、つまりサファイア基板10に近いほど、発光波長のばらつきおよび発光層の組成のばらつきが低減されることがわかる。これは、nコンタクト層11が厚いほどウェハを反らせる応力が大きいために、サファイア基板10に近い位置に湾曲緩和層12を挿入する方が、反りを緩和する作用が大きくなるためと考えられる。しかし、湾曲緩和層12のサファイア基板10表面からの位置が、nコンタクト層11全体の厚さに対して20%よりも小さいと、サファイア基板10が凹凸加工されているのでnコンタクト層11が十分に平坦化されないうちに湾曲緩和層12を形成することになり望ましくない。また、湾曲緩和層12のサファイア基板10表面からの位置が、nコンタクト層11全体の厚さに対して80%よりも大きいと、湾曲緩和層12とサファイア基板10との間のnコンタクト層11の厚さが厚くなるためにウェハを反らせる応力が大きく、湾曲緩和層12によって反りを十分に低減することができないため望ましくない。
From the result of the emission wavelength distribution of FIG. 4, it can be seen that the deeper the insertion position of the bending
したがって、ウェハ面内における発光波長のばらつきを抑えるためには、湾曲緩和層12のサファイア基板10表面からの位置は、nコンタクト層11の厚さに対して20%〜80%の位置とするのが望ましく、50〜60パーセントの位置とするのがさらに望ましい。
Therefore, in order to suppress the variation in the emission wavelength in the wafer surface, the position of the bending
また、湾曲緩和層12の挿入によってウェハ面内の駆動電圧が変化するかどうか確かめたところ、20mAにおける駆動電圧の平均は湾曲緩和層12を挿入してもほとんど変化せず、駆動電圧の標準偏差もほとんど変わらなかった。また、−5Vでの逆方向電流のウェハ面内におけるばらつきを調べたところ、湾曲緩和層12を挿入すると、挿入しない場合に比べて逆方向電流のばらつきが低減されることがわかった。
Further, when it was confirmed whether or not the driving voltage in the wafer surface changes due to the insertion of the bending
なお、実施例では、湾曲緩和層12としてAlGaNを用いたが、nコンタクト層11よりも格子定数が小さなIII 族窒化物半導体であればよい。たとえばAlGaInNなどを用いてもよい。
In the embodiment, AlGaN is used as the bending
本発明のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法は、波長のばらつきを抑えるのに有効であり、大口径基板を用いる場合や、III 族窒化物半導体層を厚膜とする場合に特に有効である。 The method for producing a Group III nitride semiconductor light-emitting device of the present invention is effective for suppressing variation in wavelength, and is particularly effective when a large-diameter substrate is used or when the Group III nitride semiconductor layer is made thick. is there.
10:サファイア基板
11:nコンタクト層
12:湾曲緩和層
13:ESD層
14:nクラッド層
15:発光層
16:pクラッド層
17:pコンタクト層
18:透明電極
19:p電極
20:n電極
10: sapphire substrate 11: n contact layer 12: bending relaxation layer 13: ESD layer 14: n cladding layer 15: light emitting layer 16: p cladding layer 17: p contact layer 18: transparent electrode 19: p electrode 20: n electrode
Claims (5)
前記n層中に、前記n層よりも格子定数の小さいIII 族窒化物半導体からなる湾曲緩和層を形成する、
ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。 An n-layer, a light-emitting layer, and a p-layer made of a group III nitride semiconductor are sequentially formed on a sapphire substrate, and the light-emitting layer is formed at a temperature lower than the formation temperature of the n-layer. In the manufacturing method,
Forming a bending relaxation layer made of a group III nitride semiconductor having a lattice constant smaller than that of the n layer in the n layer;
A method for producing a Group III nitride semiconductor light-emitting device.
前記nコンタクト層はn−GaNであり、
前記湾曲緩和層は前記nコンタクト層中に形成され、
前記湾曲緩和層は、n−AlGaNからなることを特徴とする請求項1に記載のIII 族窒化物半導体発光素子の製造方法。 The n layer has a configuration in which an n contact layer and an n clad layer are formed in this order from the sapphire substrate side,
The n-contact layer is n-GaN;
The bending relaxation layer is formed in the n-contact layer;
The method of manufacturing a group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the bending relaxation layer is made of n-AlGaN.
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