JP2012104677A - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

半導体発光素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】信頼性に優れた高発光効率の半導体発光素子を実現する。
【解決手段】一つの実施形態によれば、半導体発光素子の製造方法は、半導体発光素子ウエハを形成する工程、及びＰ型コンタクト層表面に多数の微細な凹凸を形成する工程を有する。半導体発光素子ウエハを形成する工程では、基板の第１主面にエピタキシャル成長法を用いて組成の異なるエピ層を積層形成して、最上層にＰ型コンタクト層を設ける。Ｐ型コンタクト層表面に多数の微細な凹凸を形成する工程では、エピ層形成後、エピタキシャル成長を実施した反応炉で水素とアンモニアの混合ガス中或いは窒素とアンモニアの混合ガス中で熱処理を行う。
【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、半導体発光素子の製造方法に関する。
半導体発光素子は発光層に注入された電子とホールの再結合にて素子内部で光を発生させて素子外部に光を取り出す素子である。半導体発光素子の発光効率を高めるには、光取り出し効率を向上するのが有効である。
発光素子の光取り出しの向上としては、Ｐ型コンタクト層表面に金属膜を形成して熱処理を実施することにより、Ｐ型コンタクト層表面に微細な凹凸を形成する方法がある。この方法では再現性が得られず、プロセスが複雑になるという問題点がある。また、表面にフォトニック結晶を用いる方法がある。フォトニック結晶を用いる場合、表面加工によるダメージ層が発生して半導体発光素子が劣化するという問題点がある。また、高度な微細加工技術が要求され、工程が複雑になるという問題点がある。
特開２００６−３３９５４６号公報
本発明は、信頼性に優れた高発光効率の半導体発光素子の製造方法を提供することにある。
一つの実施形態によれば、半導体発光素子の製造方法は、半導体発光素子ウエハを形成する工程、及びＰ型コンタクト層表面に多数の微細な凹凸を形成する工程を有する。半導体発光素子ウエハを形成する工程では、基板の第１主面にエピタキシャル成長法を用いて組成の異なるエピ層を積層形成して、最上層にＰ型コンタクト層を設ける。Ｐ型コンタクト層表面に多数の微細な凹凸を形成する工程では、エピ層形成後、エピタキシャル成長を実施した反応炉で水素とアンモニアの混合ガス中或いは窒素とアンモニアの混合ガス中で熱処理を行う。
本発明の第１の実施形態に係る半導体ウエハの断面構造を示す図、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の領域ＡでのＰ型コンタクト層を示す拡大断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る熱処理シーケンスを示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るＰ型コンタクト層表面のＡＦＭ像である。 本発明の第１の実施形態に係るＰ型コンタクト層の凹部密度を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るＰ型コンタクト層の熱温度に対する凹部密度及びＲＭＳの関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るＰ型コンタクト層の表面状態と熱時間の関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るＰ型コンタクト層表面状態とＮＨ３ガス流量の関係を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る光出力特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る熱処理シーケンスを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るＰ型コンタクト層表面を説明する図、図１０（ａ）はＡＦＭ像、図１０（ｂ）は凹部密度を示す図である。
以下本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法について、図面を参照して説明する。図１は半導体ウエハの断面構造を示す図、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の領域ＡでのＰ型コンタクト層を示す拡大断面図である。図２は熱処理シーケンスを示す図である。本実施形態では、サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法を用いてＬＥＤに使用されるエピ層を積層形成後に、Ｈ２／ＮＨ３ガス雰囲気で熱処理を行いＰ型コンタクト層表面に微細な凹凸を高密度に設けている。
図１（ａ）に示すように、半導体ウエハ９０では、基板１の第１主面（表面）にＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）法を用いて、組成の異なるエピタキシャル層であるバッファ層２、アンドープ層３、Ｎ型コンタクト層４、ＭＱＷ（multiple quantum well）発光層５、Ｐ型オーバーフロー防止層６、及びＰ型コンタクト層７を連続的に積層形成している。
半導体ウエハ９０は、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）の製造に使用される半導体光発光素子ウエハである。半導体ウエハ９０は、例えばエッチング、コンタクト、膜形成、配線などの半導体前工程が実施され、ＬＥＤとしての半導体発光素子が形成される。形成されたＬＥＤは半導体後工程で個片化され、封止されて屋内外の表示灯、自動車のヘッドライト・ストップランプ、道路標識、交通信号及び簡易照明等に使用される。
ここで、例えば、基板１はアルミナ基板が使用される。バッファ層２はＩｎ(x1)Ｇａ(y1)Ａｌ(1-x1-y1)Nから構成される。アンドープ層３はＩｎ(x2)Ｇａ(y2)Ａｌ(1-x2-y2)Nから構成される。Ｎ型コンタクト層４はＩｎ(x3)Ｇａ(y3)Ａｌ(1-x3-y3)Nから構成される。ＭＱＷ（multiple quantum well）発光層５はＩｎ(x4)Ｇａ(y4)Ａｌ(1-x4-y4)Nから構成される。Ｐ型オーバーフロー防止層６はＩｎ(x5)Ｇａ(y5)Ａｌ(1-x5-y5)Nから構成される。Ｐ型コンタクト層７はＩｎ(x6)Ｇａ(y6)Ａｌ(1-x6-y6)Nから構成される。ＭＱＷ発光層５は、厚さ0.1nm〜100nm有する井戸層と、井戸層と組成（x,y）を異にする厚さ0.1nm〜100nm有する障壁層とが交互に複数構成された構造を有している。
図１（ｂ）に示すように、半導体ウエハ９０のＰ型コンタクト層７表面には、多数の微細な凹凸が設けられる。Ｐ型コンタクト層７はＰ型コンタクト膜厚ｔ１１を有する。凸部１２から凹部１１までの深さである凹部深さｔ１２は、Ｐ型コンタクト膜厚ｔ１１よりも小さい。
図２に示すように、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長後、連続的にＭＯＣＶＤ装置の反応炉を用いてＨ２（水素）／ＮＨ３（アンモニア）ガス雰囲気で熱処理を行うことによりＰ型コンタクト層７表面に多数の微細な凹凸を形成している。
具体的には、まず、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉にＨ２（水素）ガスを導入する。Ｈ２（水素）ガスが所定流量に達した後、反応炉を所定の昇温レートで昇温する。反応炉が、例えば１００℃に達するとＮＨ３（アンモニア）ガスをＭＯＣＶＤ装置の反応炉に導入する。ＮＨ３（アンモニア）ガスが所定流量に達し、反応炉が所定の温度（例えば、９００℃）に達してからアニール時間Ｔ１の期間、半導体ウエハ９０の熱処理を実施する。ここで、結晶成長プロセスから直接、熱処理プロセスに移行することも可能であり、その際、上記昇温プロセスが削除でき、プロセス時間の短縮となる。
熱処理終了後、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉を所定の降温レートで降温する。ＭＯＣＶＤ装置の反応炉が、例えば３００℃に達するとＮＨ３（アンモニア）ガスの供給を停止する。ＭＯＣＶＤ装置の反応炉が室温に達するとＨ２（水素）ガスの供給を徐々に減らし、所定時間後Ｈ２（水素）ガスの供給を停止する。
ここでは、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉を用いているので、半導体ウエハ９０を一度も外部に出すことがなく、熱処理工程での汚染の影響を大幅に抑制することができる。また、ＭＯＣＶＤ装置は熱処理温度を高精度に制御することができるので、Ｐ型コンタクト層７表面に多数の微細な凹凸を制御よく形成することができる。
次に、半導体ウエハの熱処理効果について図３乃至８を参照して説明する。図３はＰ型コンタクト層表面のＡＦＭ像である。図４はＰ型コンタクト層の凹部密度を示す図である。ここでは、熱処理温度を９００℃（図２に示す熱処理シーケンス、アニール時間Ｔ１、ガス流量を使用）で行い、アニール（熱処理）なしと比較している。
図３に示すように、アニール（熱処理）なしのエピタキシャル成長直後の半導体ウエハ９０では、Ｐ型コンタクト層表面が比較的平坦形状を有し、凹部１１及び凸部１２の密度が小さい。
９００℃、Ｈ２（水素）ガス雰囲気中での熱処理では、アニール（熱処理）なしと比べ、Ｐ型コンタクト層表面の凹部１１及び凸部１２の密度が微増する。
これに対して、９００℃、Ｈ２（水素）／ＮＨ３（アンモニア）ガス雰囲気中での熱処理では、Ｐ型コンタクト層表面の凹部１１及び凸部１２の密度が大幅に増加する。
具体的には、図４に示すように、９００℃、Ｈ２（水素）ガス雰囲気中での熱処理では、アニール（熱処理）なしと比べ、凹部密度が１．３倍しか増加しない。これに対して、９００℃、Ｈ２（水素）／ＮＨ３（アンモニア）ガス雰囲気中での熱処理では、アニール（熱処理）なしと比べ、凹部密度が６．４倍増加する（９００℃、Ｈ２（水素）ガス雰囲気中での熱処理よりも５倍増加する）。
図５はＰ型コンタクト層の熱温度に対する凹部密度及びＲＭＳの関係を示す図である。ここでは、熱処理温度を変化させている（図２に示す熱処理シーケンス、アニール時間Ｔ１、ガス流量を使用）。ＲＭＳとはｒｏｏｔ−ｍｅａｎ―ｓｑｕａｒｅであり、表面粗さを示す指標である。
図５に示すように、Ｐ型コンタクト層は、７００℃の熱処理では凹部密度が微増（アニール（熱処理）なしと比べ１．２倍）するのに対し、８４０℃以上、９３０℃以下の範囲では凹部密度が大幅に増加（アニール（熱処理）なしと比べ６乃至６．４倍）する。また、１０００℃の熱処理では凹部密度が微増（アニール（熱処理）なしと比べ１．２倍）する。
ＲＭＳ値は、熱処理（８４０℃以上、９３０℃以下の範囲）を実施することによりＲＭＳ値が増大する（１ｎｍ⇒１．４〜１．８ｎｍ）。
この結果から、Ｐ型コンタクト層表面に多数の微細な凹凸を形成する条件は、８４０℃以上、９３０℃以下の範囲が好適であることがわかる。このため、８４０℃以上、９３０℃以下の範囲で熱処理を行うことにより、光取り出し効率を大幅に向上することができる。
この理由としては、ＮＨ３（アンモニア）ガスが分解してアンモニアイオン（ＮＨ４＋とＮＨ２−）が形成され、アンモニアイオンが窒化物半導体の表面元素をエッチングすることで多数の微細な凹凸が形成される。Ｈ２（水素）ガスは、Ｐ型コンタクト層表面のエッチングされた欠陥を補償することで、化学的に安定した表面が形成される。８４０℃以下では、ＮＨ３（アンモニア）ガスのアンモニアイオンへの分解が少ないので、表面がエッチングされない。また、９３０℃以上では、ＮＨ３（アンモニア）ガスがＨ２（水素）ガスとＮ２（窒素）ガスに分解され、Ｐ型コンタクト層表面をエッチングする働きが大幅に低下するので、微細な凹凸の形成が促進されないと考えられる。
図６はＰ型コンタクト層の表面状態と熱処理時間の関係を示す図である。ここでは、熱処理時間を変化させている（図２に示す熱処理シーケンス、ガス流量を使用）。
図６に示すように、熱処理時間が５分未満では、表面反応が飽和しないので、熱処理ロット毎で微細な凹凸形状に再現性が無く、プロセスが安定しない。熱処理時間が５分以上、３０分以下の範囲では、表面反応が飽和し、熱処理ロットに依存せず、安定的に多数の微細な凹凸が再現性よく形成される。このため、光取り出し効率を大幅に向上することができる。熱処理時間が３０分よりも長くなるとＰ型コンタクト層の表面形状が大きく変化し、白濁状態になるので、ＭＱＷ発光層５で発生した光が散乱されて外部に取り出されない。
図７はＰ型コンタクト層の表面状態とＮＨ３ガス流量の関係を示す図である。ここでは、ＮＨ３（アンモニア）ガスを変化させている（図２に示す熱処理シーケンス、アニール時間Ｔ１を使用）。
図７に示すように、ＮＨ３（アンモニア）ガスが１ｓｌｍ未満では、Ｐ型コンタクト層の表面がエッチングされない。ＮＨ３（アンモニア）ガスが１ｓｌｍ以上、１００ｓｌｍ以下の範囲では、表面反応が安定し、熱処理ロットに依存せず、安定的に多数の微細な凹凸が再現性よく形成される。このため、光取り出し効率を大幅に向上することができる。ＮＨ３（アンモニア）ガスが１００ｓｌｍよりも大きくなるとＰ型コンタクト層の表面状態が粗く変色し、表面での欠陥が補償されない状態となる。
次に、Ｈ２（水素）ガスの流量について説明する。図示していないがＨ２（水素）ガスの流量の最適範囲は、例えばＮＨ３（アンモニア）ガスに対するＨ２（水素）ガスの流量比で表すと０．１以上、１０以下の範囲で表面反応が安定し、熱処理ロットに依存せず、安定的に多数の微細な凹凸が再現性よく形成されることを確認している。
これまでに述べたＮＨ３（アンモニア）ガス、Ｈ２（水素）ガスの流量は絶対的な値ではなく、相対的な値である。上述したＭＯＣＶＤ装置の反応炉に対応して設定された流量であり、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉や熱処理炉の形状等が変わればそれに対応して最適なガス流量を決定する必要がある。
図８は光出力特性を示す図である。ここでは、Ｐ型コンタクト層７の表面に多数の微細な凹凸が形成された半導体ウエハ９０を半導体発光素子の前工程で発光素子を作成し、発光素子を個片化して封止されたＬＥＤと、熱処理を行わずＰ型コンタクト層７の表面に多数の微細な凹凸が形成されていないＬＥＤを比較している。
図８に示すように、熱処理なしのＬＥＤでは、動作電流が２０ｍＡでの光出力が２０ｍＷである。これに対して９００℃、Ｈ２（水素）／ＮＨ３（アンモニア）ガス雰囲気での熱処理を実施したＬＥＤでは動作電流が２０ｍＡでの光出力が３０ｍＷと熱処理なしのＬＥＤと比べ、１．５倍増加している。
次に、耐湿性試験について述べる。９００℃、Ｈ２（水素）／ＮＨ３（アンモニア）ガス雰囲気での熱処理を実施したＬＥＤの耐湿性試験（温度９０℃、湿度９０％）では、１万時間までは光出力が初期値の９０％以上を維持していることを確認している。この結果、Ｐ型コンタクト層７の表面のダメージが大幅に低減され、信頼性の高い発光素子が実現されていることが確認できた。
上述したように、本実施形態の半導体発光素子の製造方法では、基板１上にＭＯＣＶＤ法を用いて、バッファ層２、アンドープ層３、Ｎ型コンタクト層４、ＭＱＷ発光層５、Ｐ型オーバーフロー防止層６、及びＰ型コンタクト層７を連続的に積層形成して半導体ウエハ９０を形成している。ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長後、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉を用いてＨ２（水素）／ＮＨ３（アンモニア）ガス雰囲気で熱処理を行うことによりＰ型コンタクト層７表面に多数の微細な凹凸を形成している。
このため、光取り出し効率を高めることができ、発光効率を向上することができる。また、Ｐ型コンタクト層表面への微細な凹凸形成に複雑なプロセス工程が不要であり、従来よりも工程短縮化及びダメージ低減ができ、信頼性に優れた高効率の半導体発光素子を提供することができる。
なお、本実施形態では、Ｐ型コンタクト層７表面の凹凸形成をＭＯＣＶＤ装置の反応炉で行っているが必ずしもこれに限定されるものではない。例えばＮＨ３（アンモニア）ガス及びＨ２（水素）ガスを流入することができる熱処理炉であればよい。
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体発光素子の製造方法について、図面を参照して説明する。図９は熱処理シーケンスを示す図である。本実施形態では、サファイア基板上にＭＯＣＶＤ法を用いてＬＥＤに使用されるエピ層を積層形成後に、Ｎ２／ＮＨ３ガス雰囲気で熱処理を行いＰ型コンタクト層表面に微細な凹凸を高密度に設けている。
図９に示すように、ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長後、連続的にＭＯＣＶＤ装置の反応炉を用いてＮ２（窒素）／ＮＨ３（アンモニア）ガス雰囲気で熱処理を行うことにより半導体ウエハ９０のＰ型コンタクト層７表面に多数の微細な凹凸を形成している。
具体的には、まず、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉にＮ２（窒素）ガスを導入する。Ｎ２（窒素）ガスが所定流量に達した後、反応炉を所定の昇温レートで昇温する。反応炉が、例えば１００℃に達するとＮＨ３（アンモニア）ガスをＭＯＣＶＤ装置の反応炉に導入する。ＮＨ３（アンモニア）ガスが所定流量に達し、反応炉が所定の温度（例えば、９００℃）に達してからアニール時間Ｔ１の期間、半導体ウエハ９０の熱処理を実施する。
熱処理終了後、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉を所定の降温レートで降温する。ＭＯＣＶＤ装置の反応炉が、例えば３００℃に達するとＮＨ３（アンモニア）ガスの供給を停止する。ＭＯＣＶＤ装置の反応炉が室温に達するとＮ２（窒素）の供給を徐々に減らし、所定時間後Ｎ２（窒素）の供給を停止する。
次に、半導体ウエハの熱処理効果について図１０を参照して説明する。図１０はＰ型コンタクト層表面を説明する図、図１０（ａ）はＡＦＭ像、図１０（ｂ）は凹部密度を示す図である。ここでは、熱処理温度を９００℃（図２に示す熱処理シーケンス、アニール時間Ｔ１）で行い、アニール（熱処理）なしと比較している。
図１０（ａ）に示すように、９００℃、Ｎ２（窒素）／ＮＨ３（アンモニア）ガス雰囲気中での熱処理では、Ｐ型コンタクト層表面の凹部１１及び凸部１２の密度が第１の実施形態の９００℃、Ｈ２（水素）／ＮＨ３（アンモニア）ガス雰囲気中での熱処理と同様に大幅に増加する。
具体的には、図１０（ｂ）に示すように、９００℃、Ｎ２（窒素）／ＮＨ３（アンモニア）ガス雰囲気中での熱処理では、アニール（熱処理）なしと比べ、凹部密度が６倍増加する（９００℃、Ｈ２（水素）ガス雰囲気中での熱処理よりも４．７倍増加する）。
９００℃、Ｎ２（窒素）／ＮＨ３（アンモニア）ガス雰囲気の熱処理を実施したＬＥＤでは、第１の実施形態の９００℃、Ｈ２（水素）／ＮＨ３（アンモニア）ガス雰囲気での熱処理を実施したＬＥＤと同様に、光取り出し効率の高い、高信頼性の発光素子であることを確認している。
なお、本実施の形態では、熱処理温度、熱処理時間、ＮＨ３（アンモニア）ガス流量、Ｎ２（窒素）ガス流量について第１の実施形態と同様な範囲に設定するのが好ましい。
上述したように、本実施形態の半導体発光素子の製造方法では、基板１上にＭＯＣＶＤ法を用いて、バッファ層２、アンドープ層３、Ｎ型コンタクト層４、ＭＱＷ発光層５、Ｐ型オーバーフロー防止層６、及びＰ型コンタクト層７を連続的に積層形成して半導体ウエハ９０を形成している。ＭＯＣＶＤ法によるエピタキシャル成長後、ＭＯＣＶＤ装置の反応炉を用いてＮ２（窒素）／ＮＨ３（アンモニア）ガス雰囲気で熱処理を行うことによりＰ型コンタクト層７表面に多数の微細な凹凸を形成している。
このため、光取り出し効率を高めることができ、発光効率を向上することができる。また、Ｐ型コンタクト層表面への微細な凹凸形成に複雑なプロセス工程が不要であり、従来よりも工程短縮化及びダメージ低減ができ、信頼性に優れた高効率の半導体発光素子を提供することができる。
なお、実施形態では、バッファ層２、アンドープ層３、Ｎ型コンタクト層４、ＭＱＷ発光層５、Ｐ型オーバーフロー防止層６、及びＰ型コンタクト層７に、組成の異なるＩｎＧａＡｌNから構成されるエピ層を用いているが必ずしもこれに限定されるものではない。例えば、バッファ層２及びアンドープ層３にＧａＮ層、Ｎ型コンタクト層４にＮ型ＧａＮ層、Ｐ型オーバーフロー防止層６にＰ型ＡｌＧａＮ層、Ｐ型コンタクト層７にＰ型ＧａＮ層をそれぞれ用いてもよい。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１ 基板
２ バッファ層
３ アンドープ層
４ Ｎ型コンタクト層
５ ＭＱＷ発光層
６ Ｐ型オーバーフロー防止層
７ Ｐ型コンタクト層
１１ 凹部
１２ 凸部
９０ 半導体ウエハ
Ｔ１ アニール時間
ｔ１１ Ｐ型コンタクト層厚
ｔ１２ 凹部深さ

Claims (5)

  1. 基板の第１主面に半導体層を積層形成して、最上層にＰ型半導体層が設けられた半導体発光素子ウエハを形成する工程と、
    前記半導体発光素子ウエハを熱処理炉に載置し、水素とアンモニアの混合ガス中或いは窒素とアンモニアの混合ガス中で熱処理を行い、前記半導体発光素子のＰ型半導体層表面に多数の微細な凹凸を形成する工程と、
    を具備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  2. 基板の第１主面に半導体層を積層形成して、最上層にＰ型半導体層が設けられた半導体発光素子ウエハを形成する工程と、
    前記半導体層形成後、前記半導体発光素子ウエハを形成した反応炉で水素とアンモニアの混合ガス中或いは窒素とアンモニアの混合ガス中で熱処理を行い、前記半導体発光素子のＰ型半導体層表面に多数の微細な凹凸を形成する工程と、
    を具備することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
  3. 前記熱処理は８４０℃以上、９３０℃以下の範囲で行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体発光素子の製造方法。
  4. 前記熱処理は５分以上、３０分以下の範囲で行われることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
  5. 前記微細な凹凸の深さは、前記Ｐ型半導体層の膜厚よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体発光素子の製造方法。
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