JP2012186204A - 化合物半導体基板及び化合物半導体基板の製造方法並びに発光素子 - Google Patents
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【解決手段】 少なくともn型GaP基板上に(AlxGa1−x)yIn1−yPからなるn型クラッド層、活性層、p型クラッド層が順次積層された4元発光層を有し、4元発光層の、n型GaP基板側の主表面の反対側となる主表面上に、電流拡散層であるp型GaP層が積層された化合物半導体基板であって、n型GaP基板と4元発光層との間に、n型クラッド層よりもキャリア濃度の高い、(AlxGa1−x)yIn1−yPからなる高濃度キャリア層が形成されたものであることを特徴とする化合物半導体基板。
【選択図】図1
Description
例えばGaAs基板上に、AlGaInPの4元からなる発光層とGaPからなる電流拡散層とを形成した発光素子が知られている。このGaP電流拡散層は、発光層側に有機金属気相成長法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy法、以下単にMOVPE法という)により比較的薄い電流拡散層(以下、薄膜電流拡散層という)を形成した後に、ハイドライド気相成長法(Hydride Vapor Phase Epitaxy法、以下単にHVPE法という)により比較的厚い電流拡散層(以下、厚膜電流拡散層という)を形成することによって作製することができる。例えば、全体として200μm程度の厚さにまでGaP電流拡散層が成長されることがある。
また、このような接合界面の酸素、炭素等の不純物は、通電を行うと4元発光層側へ拡散しキャリアを補償してしまう。これによって順方向電圧を上昇させ、製造された発光素子の順方向電圧に対する寿命特性を悪化させることが判った。
また、前記高濃度キャリア層は、膜厚が500Å以上であることが好ましい。
またn型GaAs基板上に、4元発光層をエピタキシャル成長させる前に前記高濃度キャリア層を積層し、その後該高濃度キャリア層上に4元発光層をエピタキシャル成長させるか、または4元発光層の第二主面側に、n型GaP基板を貼り合わせる前に前記高濃度キャリア層を積層することとすれば、確実にn型GaP基板と4元発光層との間に前記高濃度キャリア層が形成された高品質の化合物半導体基板を製造することができる。
さらにこのような化合物半導体基板から製造された発光素子は、順方向電圧に対する寿命特性が良好であるため、高輝度の状態で長期間使用することができる。
図1は、本発明の化合物半導体基板の一例を示す概略図である。図1に示す本発明の化合物半導体基板1は、n型GaP基板2上に(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0<x≦1,0<y<1)からなるn型高濃度キャリア層3が形成され、該高濃度キャリア層3の上に発光層4が形成されている。
そして該発光層4上に、MOVPE法によりp型GaP薄膜電流拡散層5が形成され、さらにその上にHVPE法によりp型GaP厚膜電流拡散層6が形成されている。
なお、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行わない」という意味であり、化合物半導体基板の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有(例えば1.0×1013〜1.0×1016atoms/cm3程度)をも排除するものではない。
しかし、本発明ではn型GaP基板2と4元発光層4との間に、前記高濃度キャリア層3が形成されているので、該高濃度キャリア層3により十分なキャリアが4元発光層4へ供給される。このため、順方向電圧が上昇することを抑制し、寿命特性を良好なものとすることができる。
この光学素子10においては、図1に示した化合物半導体基板1の厚膜電流拡散層6上の略中央に、4元発光層4に発光駆動電圧を印加するための第一電極11が形成され、該第一電極11の周囲の領域が4元発光層4からの光取出領域とされている。また、n型GaP基板2の第二主面側には第二電極12が全面に形成されている。また、第一電極11の中央部に電極ワイヤを接合するためのAu等にて構成されたボンディングパッド13が配置されている。
このように製造された発光素子10は、順方向電圧に対する寿命特性が良好であり、高輝度の状態で長期間使用することができる。
まず工程1に示すように、成長用基板としてn型GaAs基板を準備し、洗浄した後、MOVPEリアクターに入れ、前記n型GaAs基板上にn型GaAsバッファ層を0.1〜1.0μmエピタキシャル成長させる。
次に工程3に示すように前記高濃度キャリア層3上に、4元発光層4として各々AlGaInPからなる、厚さ0.8〜4.0μmのn型クラッド層41、厚さ0.4〜2.0μmの活性層42及び厚さ0.8〜4.0μmのp型クラッド層43を、この順序にてエピタキシャル成長させる。尚、このとき高濃度キャリア層3のキャリア濃度を、例えば1.0×1018atoms/cm3以上とし、n型クラッド層41のキャリア濃度より高くなるようにする。
・Al源ガス:トリメチルアルミニウム(TMAl)、トリエチルアルミニウム(TEAl)など。
・Ga源ガス:トリメチルガリウム(TMGa)、トリエチルガリウム(TEGa)など。
・In源ガス:トリメチルインジウム(TMIn)、トリエチルインジウム(TEIn)など。
・P源ガス:トリメチルリン(TMP)、トリエチルリン(TEP)、ホスフィン(PH3)など。
また、ドーパントガスとしては、以下のようなものを使用できる。
(p型ドーパント)
・Mg源:ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)など。
・Zn源:ジメチル亜鉛(DMZn)、ジエチル亜鉛(DEZn)など。
(n型ドーパント)
・Si源:モノシランなどのシリコン水素化物など。
Ga(液体)+HCl(気体) → GaCl(気体)+1/2H2(気体)‥‥(1)
成長温度は例えば640℃以上860℃以下に設定する。また、V族元素であるPは、例えばホスフィン(PH3)をキャリアガスであるH2ともに基板上に供給する。さらに、p型ドーパントであるZnは、ジメチル亜鉛(DMZn)の形で供給して、下記(2)式のような反応によってn型GaPエピタキシャル層を形成するものである。
GaCl(気体)+PH3(気体)
→GaP(固体)+HCl(気体)+H2(気体)‥‥(2)
また、4元発光層の第二主面側とn型GaP基板との間にn型GaInP層を挟んでも良い。
真空蒸着法により第一電極11及び第二電極12を形成し、更に第一電極11上にボンディングパッド13を配置して、適当な温度で電極定着用のベーキングを施す。その後、ダイシングによりチップ化し、第二電極12をAgペースト等の導電性ペーストを用いて支持体を兼ねた図示しない端子電極に固着する一方、ボンディングパッド13と別の端子電極とにまたがる形態でAu製のワイヤをボンディングし、更に樹脂モールドを形成することによって、上記化合物半導体基板1から、図2に示したような発光素子10を製造することができる。
まず、以下のようにして図1に示すような化合物半導体基板を製造した。
MOVPE法により、厚さ280μmのn型GaAs基板上にn型GaAsバッファ層0.5μm、4元発光層3.0μm、p型GaP薄膜電流拡散層2.5μmを順次エピタキシャル成長させる。前記4元発光層は、キャリア濃度が0.8×1018atoms/cm3であって、(Al0.85Ga0.15)0.45In0.55Pからなるn型クラッド層0.8μm、(Al0.1Ga0.9)0.45In0.55Pからなる活性層0.6μm、(Al0.85Ga0.15)0.45In0.55Pからなるp型クラッド層1.6μmを順次エピタキシャル成長させることにより構成される。
このとき、前記n型GaAsバッファ層と4元発光層(n型クラッド層)との間に、膜厚が0.3μm(3000Å)であって、キャリア濃度が1.0×1018atoms/cm3の(Al0.85Ga0.15)0.45In0.55Pからなるn型高濃度キャリア層を積層する。その後、HVPE法により厚さ150μmのp型GaP厚膜電流拡散層を前記p型GaP薄膜電流拡散層上にエピタキシャル成長させ、n型GaAs基板の除去を行い、該n型GaAs基板が除去された4元発光層の第二主面側、すなわち高濃度キャリア層のn型クラッド層と反対側の主表面に厚さ200μmのn型GaP基板を接合させる。
尚、上記エピタキシャル成長の原料ガスとしては、トリメチルガリウム(TMGa)、トリメチルインジウム(TMIn)、トリメチルアルミニウム(TMAl)、ホスフィン(PH3)及びアルシン(AsH3)を使用した。
このように製造された化合物半導体基板2枚のそれぞれから作成されたランプのうち7個ずつを選んで、該各ランプに温度85℃で100時間、50mAの電流を流した。このとき、前記各ランプにおける順方向電圧の上昇は全く発生しなかった。図5に、2枚の基板それぞれから製造された7個ずつのランプの順方向電圧変化率の平均値、最大値及び最小値を示す。
n型GaAs基板の除去を行わず、n型GaP基板も接合させず、さらに高濃度キャリア層も積層させなかったこと以外は実施例1と同様にして、図3に示すような化合物半導体基板を作成した。
このように製造された化合物半導体基板2枚のそれぞれから作成されたランプのうち7個ずつを選んで、該各ランプに温度85℃で100時間、50mAの電流を流した。このとき用いられた化合物半導体基板は、n型GaAs基板を除去せず、n型GaP基板と4元発光層を接合していないため、酸素、炭素等の不純物がこれらの接合界面に含まれておらず、前記各ランプにおける順方向電圧の上昇は全く発生しなかった。このときの結果を図5に示す。
高濃度キャリア層を積層させなかったこと以外は実施例1と同様にして、図4に示すような化合物半導体基板を作成した。
このように製造された化合物半導体基板2枚のそれぞれから作成されたランプのうち7個ずつを選んで、該各ランプに温度85℃で100時間、50mAの電流を流した。このとき、最大で約17%、平均すると約2〜3%順方向電圧が上昇してしまった。このときの結果を図5に示す。
しかし実施例では、高濃度キャリア層と4元発光層とを接合しているため、接合界面に酸素、炭素等の不純物が含まれており、比較例2と同様にこのような化合物半導体基板から製造されたランプ等の発光素子に通電した際に、これら不純物が4元発光層側へ拡散してn型キャリアが補償してしまうが、高濃度キャリア層から十分にキャリアが供給されるため、順方向電圧の変化は無く寿命特性が安定した高輝度の発光素子となった。
4…発光層、 5…薄膜電流拡散層、 6…厚膜電流拡散層、 10…発光素子、
11…第一電極、 12…第二電極、 13…ボンディングパッド、
41…n型クラッド層、 42…活性層、 43…p型クラッド層。
Claims (5)
- n型GaP基板上に(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0<x<1,0<y<1)からなるn型クラッド層、活性層、p型クラッド層が順次積層された4元発光層を有し、該4元発光層の、前記n型GaP基板側の主表面(第二主面)の反対側となる主表面(第一主面)上に、電流拡散層であるp型GaP層が積層された化合物半導体基板であって、
前記n型GaP基板と前記4元発光層との間に、前記n型クラッド層よりもキャリア濃度の高い、(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0<x≦1,0<y<1)からなる高濃度キャリア層が形成されたものであることを特徴とする化合物半導体基板。 - 前記高濃度キャリア層は、キャリア濃度が1.0×1018atoms/cm3以上であることを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体基板。
- 前記高濃度キャリア層は、膜厚が500Å以上であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の化合物半導体基板。
- 前記請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の化合物半導体基板から製造されたことを特徴とする発光素子。
- n型GaAs基板上に(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0<x<1,0<y<1)からなるn型クラッド層、活性層、p型クラッド層を順次積層した4元発光層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記4元発光層の、前記n型GaAs基板側と反対側となる主表面(第一主面)上に、電流拡散層としてp型GaP層をエピタキシャル成長させる工程と、
前記4元発光層からn型GaAs基板を除去する工程と、
該n型GaAs基板が除去された側の前記4元発光層の主表面(第二主面)側にn型GaP基板を貼り合わせる工程とを有する化合物半導体基板の製造方法において、
前記n型GaAs基板上に、前記4元発光層をエピタキシャル成長させる前に前記n型クラッド層よりもキャリア濃度の高い、(AlxGa1−x)yIn1−yP(ただし、0<x≦1,0<y<1)からなる高濃度キャリア層を積層し、その後該高濃度キャリア層上に前記4元発光層をエピタキシャル成長させるか、または前記4元発光層の第二主面側に、前記n型GaP基板を貼り合わせる前に前記高濃度キャリア層を積層することによって、前記貼り合わせ工程において、前記高濃度キャリア層とn型GaP基板を貼り合わせ、前記n型GaP基板と前記4元発光層との間に前記高濃度キャリア層が形成された化合物半導体基板を製造することを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。
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