JP2017130558A - Method of manufacturing ultraviolet light-emitting element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、紫外線発光素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an ultraviolet light emitting element.
従来、窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法において、気相成長法により成長された、マグネシウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体層をアニーリングして、マグネシウムを含む窒化ガリウム系化合物半導体層からマグネシウムと結合している水素を除去し、マグネシウムよりも水素量が少なくなっているp型窒化ガリウム系化合物半導体層とすることが知られている(特許文献1)。 Conventionally, in a method for manufacturing a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device, annealing is performed on a gallium nitride-based compound semiconductor layer containing magnesium, which is grown by vapor deposition, and then bonded to magnesium from the gallium nitride-based compound semiconductor layer containing magnesium. It is known to remove p-type hydrogen and form a p-type gallium nitride compound semiconductor layer in which the amount of hydrogen is less than that of magnesium (Patent Document 1).
Al組成比の高いp型AlGaN層を必要とする紫外線発光素子の分野においては、ホール濃度の向上による駆動電圧の更なる低電圧化が望まれている。 In the field of ultraviolet light emitting devices that require a p-type AlGaN layer with a high Al composition ratio, further reduction of the driving voltage by increasing the hole concentration is desired.
本発明の目的は、駆動電圧の低電圧化を図ることが可能な紫外線発光素子の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an ultraviolet light-emitting element capable of reducing the driving voltage.
本発明に係る一態様の紫外線発光素子の製造方法は、n型AlGaN系半導体層、発光層及びp型AlGaN系半導体層の順に並んでいる積層体と、前記n型AlGaN系半導体層の表面において前記発光層で覆われていない部位に直接設けられている負電極と、前記p型AlGaN系半導体層の表面上に直接設けられている正電極と、を備えた紫外線発光素子の製造方法であって、前記p型AlGaN系半導体層の形成にあたっては、MOVPE法により、Mg、Zn、Ca、Cd及びBeのうちの少なくとも1種を含むAlGaN系半導体層を成長し、その後、前記AlGaN系半導体層に対して、前記AlGaN系半導体層中の水素を脱離させる第1の加熱処理を行ってから、水素を含まない還元性を有する物質に接するようにして第2の加熱処理を行う。 An ultraviolet light emitting device manufacturing method according to an aspect of the present invention includes an n-type AlGaN-based semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type AlGaN-based semiconductor layer sequentially arranged on the surface of the n-type AlGaN-based semiconductor layer. A method for manufacturing an ultraviolet light emitting device comprising: a negative electrode provided directly on a portion not covered with the light emitting layer; and a positive electrode provided directly on the surface of the p-type AlGaN semiconductor layer. In forming the p-type AlGaN semiconductor layer, an AlGaN semiconductor layer containing at least one of Mg, Zn, Ca, Cd and Be is grown by MOVPE, and then the AlGaN semiconductor layer is grown. In contrast, the first heat treatment for desorbing hydrogen in the AlGaN-based semiconductor layer is performed, and then contacted with a reducing substance that does not contain hydrogen. Performing a heat treatment.
本発明の紫外線発光素子の製造方法は、紫外線発光素子の駆動電圧の低電圧化を図ることが可能になるという効果がある。 The method for producing an ultraviolet light emitting element of the present invention has an effect that it is possible to reduce the driving voltage of the ultraviolet light emitting element.
下記の実施形態において説明する各図は、模式的な図であり、図中の各構成要素の大きさや厚さそれぞれの比が、必ずしも実際の寸法比を反映しているとは限らない。また、実施形態に記載した材料、数値等は、好ましい例を示しているだけであり、それに限定する主旨ではない。更に、本発明は、その技術的思想の範囲を逸脱しない範囲で、構成に適宜変更を加えることが可能である。 Each drawing described in the following embodiment is a schematic diagram, and the ratio of the size and thickness of each component in the drawing does not necessarily reflect the actual dimensional ratio. In addition, the materials, numerical values, and the like described in the embodiments are merely preferable examples and are not intended to be limited thereto. Furthermore, the present invention can be appropriately modified in configuration without departing from the scope of its technical idea.
(実施形態)
以下では、本実施形態の紫外線発光素子10の製造方法について図1A〜1Eに基づいて説明する前に、紫外線発光素子10について、図1Eに基づいて説明する。
(Embodiment)
Below, before explaining the manufacturing method of the ultraviolet
紫外線発光素子10は、直方体状のLEDチップ(Light Emitting Diode Chip)である。LEDチップは、LEDダイ(Light Emitting Diode die)とも呼ばれる。ここで、紫外線発光素子10の平面視形状は、例えば、正方形状である。「紫外線発光素子10の平面視形状」とは、紫外線発光素子10の厚さ方向の一の方向から見た紫外線発光素子10の外周形状である。紫外線発光素子10の平面視でのチップサイズ(chip size)は、例えば、400μm□(400μm×400μm)である。紫外線発光素子10の平面視形状は、正方形状に限らず、例えば、長方形状等でもよい。
The ultraviolet
紫外線発光素子10は、n型AlGaN系半導体層3、発光層4及びp型AlGaN系半導体層5の順に並んでいる積層体20を備える。また、紫外線発光素子10は、n型AlGaN系半導体層3の表面において発光層4で覆われていない部位3aaに直接設けられている負電極8と、p型AlGaN系半導体層5の表面5a上に直接設けられている正電極9と、を備える。
The ultraviolet
紫外線発光素子10は、積層体20を支持する基板1を更に備える。積層体20は、基板1の一表面1a上に設けられている。n型AlGaN系半導体層3、発光層4及びp型AlGaN系半導体層5は、基板1の一表面1aからこの順に並んでいる。紫外線発光素子10は、基板1とn型AlGaN系半導体層3との間に介在するバッファ層2を備えるのが好ましい。
The ultraviolet
紫外線発光素子10は、メサ構造(mesa structure)11を有している。メサ構造11は、バッファ層2、n型AlGaN系半導体層3、発光層4及びp型AlGaN系半導体層5を含む積層体20の一部を、積層体20の表面20a側からn型AlGaN系半導体層3の途中までエッチングすることで形成されている。紫外線発光素子10は、p型AlGaN系半導体層5の表面5aと、積層体20の表面20aと、メサ構造11の上面11aとが、同一の表面により構成される。紫外線発光素子10は、この紫外線発光素子10の厚さ方向の一面側に負電極8及び正電極9が配置されている。ここで、「紫外線発光素子10の厚さ方向の一面」とは、n型AlGaN系半導体層3の発光層4側の表面3a上において発光層4に覆われていない部位3aa及びp型AlGaN系半導体層5の表面5aを含む。
The ultraviolet
紫外線発光素子10は、メサ構造11の上面11aの一部とメサ構造11の側面11bとn型AlGaN系半導体層3の表面3aの一部とに跨って電気絶縁膜(図示せず)が形成されているのが好ましい。電気絶縁膜の材料としては、例えば、SiO2等を採用することができる。電気絶縁膜の厚さは、例えば、800nmである。
In the ultraviolet
積層体20を支持している基板1は、例えば、サファイア基板である。基板1の一表面1a(以下、「第1面1a」ともいう)は、(0001)面、つまり、c面である。また、基板1の第1面1aは、(0001)面からのオフ角が、0°〜0.4°である。紫外線発光素子10は、基板1において第1面1aとは反対の第2面1bが、紫外線を出射させる光取り出し面を構成している。基板1の厚さは、例えば、100μm〜500μmである。
The substrate 1 that supports the
バッファ層2は、n型AlGaN系半導体層3、発光層4及びp型AlGaN系半導体層5の結晶性の向上を目的として設けた層である。紫外線発光素子10は、バッファ層2を備えることにより、転位密度を低減することが可能となり、n型AlGaN系半導体層3、発光層4及びp型AlGaN系半導体層5の結晶性の向上を図ることが可能となる。
The
バッファ層2は、基板1の一表面1a上に直接形成されている。バッファ層2は、例えば、AlxGa1-xN層(0<x≦1)により構成されている。バッファ層2の厚さは、例えば、3μm以上6μm以下である。バッファ層2は、一例として、厚さ4μmのAlN層である。
The
紫外線発光素子10において、n型AlGaN系半導体層3は、発光層4へ電子を輸送するための層である。n型AlGaN系半導体層3は、n型Inx1Aly1Ga1-x1-y1N層(0≦x1<1、0<y1<1、0<x1+y1<1)により構成されている。Inの組成比x1は、例えば、0以上0.1以下である。Alの組成比y1は、例えば、0.3以上1未満であるのが好ましく、0.5以上1未満であるのがより好ましい。n型AlGaN系半導体層3は、Siを含有している。言い換えれば、n型AlGaN系半導体層3は、ドナー不純物としてSiを含有している。
In the ultraviolet
n型AlGaN系半導体層3は、負電極8との良好なオーミック接触(ohmic contact)を実現するためのn型コンタクト層を兼ねている。n型AlGaN系半導体層3のSiの濃度は、例えば、5×1018cm-3以上5×1019cm-3以下である。n型AlGaN系半導体層3の厚さは、例えば、1μm以上3μm以下である。n型AlGaN系半導体層3は、一例として、厚さ2μmのn型Al0.60Ga0.40N層である。本明細書において、Siの濃度は、例えば、SIMS(Secondary Ion Mass Spectroscopy)によって測定した値である。
The n-type AlGaN-based
積層体20の厚さ方向においてn型AlGaN系半導体層3とp型AlGaN系半導体層5との間にある発光層4は、多重量子井戸構造を有するのが好ましい。多重量子井戸構造は、複数の障壁層と複数の井戸層とが積層体20の厚さ方向において交互に並んでいる。発光層4は、井戸層に注入された2種類のキャリア(電子、正孔)の再結合により光(紫外線)を放射する層である。
The
複数の井戸層の各々は、第1のIna1Alb1Ga1-a1-b1N層(0≦a1<1、0<b1<1、0<a1+b1<1)により構成されている。複数の障壁層の各々は、複数の井戸層よりもAlの組成比が大きな第2のIna2Alb2Ga1-a2-b2N層(0≦a2<1、0<b2<1、0<a2+b2<1)により構成されている。 Each of the plurality of well layers is constituted by a first In a1 Al b1 Ga 1-a1-b1 N layer (0 ≦ a1 <1, 0 <b1 <1, 0 <a1 + b1 <1). Each of the plurality of barrier layers includes a second In a2 Al b2 Ga 1 -a2-b2 N layer (0 ≦ a2 <1, 0 <b2 <1, 0 <) having a larger Al composition ratio than the plurality of well layers. a2 + b2 <1).
紫外線発光素子10は、UV−Cの波長域の紫外線を放射するように発光層4の井戸層を構成してある。「UV−Cの波長域」とは、例えば国際照明委員会(CIE)における紫外線の波長による分類によれば、100nm〜280nmである。
The ultraviolet
紫外線発光素子10における発光層4は、井戸層及び障壁層それぞれの数を4つずつとしてある。井戸層の厚さは、例えば、0.5nm以上3nm以下である。障壁層の厚さは、例えば、2nm以上20nm以下である。井戸層は、一例として厚さ2nmのAl0.45Ga0.55N層である。障壁層は、一例として、厚さ10nmのAl0.60Ga0.40N層である。紫外線発光素子10の発光スペクトルにおける発光ピーク波長は、275nm程度である。ここでいう「発光ピーク波長」は、室温(27℃)での主発光ピーク波長である。
The
紫外線発光素子10において、p型AlGaN系半導体層5は、発光層4へ正孔を輸送するための層である。p型AlGaN系半導体層5は、p型Inx2Aly2Ga1-x2-y2N層(0≦x2<1、0<y2<1、0<x2+y2<1)により構成されている。Inの組成比x2は、例えば、0以上0.1以下である。Alの組成比y2は、例えば、0.3以上1未満であるのが好ましく、0.5以上1未満であるのがより好ましい。p型AlGaN系半導体層5は、アクセプタ不純物としてMgを含有している。本明細書において、Mgの濃度は、例えば、SIMSによって測定した値である。p型AlGaN系半導体層5におけるアクセプタ不純物は、Mgに限らず、例えば、Zn、Ca、Cd、Be等でもよい。
In the ultraviolet
p型AlGaN系半導体層5は、正電極9との良好なオーミック接触を実現するためのp型コンタクト層を兼ねている。p型AlGaN系半導体層5のMgの濃度は、例えば、1×1019cm-3以上2×1020cm-3以下である。p型AlGaN系半導体層5の厚さは、例えば、20nm〜100nmである。p型AlGaN系半導体層5は、一例として、厚さ50nm、Mg濃度1.5×1020cm-3のp型Al0.70Ga0.30N層である。本明細書において、Mg濃度は、例えば、SIMSによって測定した値である。
The p-type AlGaN-based semiconductor layer 5 also serves as a p-type contact layer for realizing good ohmic contact with the
本明細書において、組成比は、例えば、EDX法(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)による組成分析で求めることができる。組成比の相対的な大小関係を議論する上では、組成比は、EDX法に限らず、例えば、オージェ電子分光法(Auger Electron Spectroscopy)による組成分析で求めた値でもよい。また、組成比は、例えば、X線回折測定から得られる格子定数を基に、ベガード則(Vegard’s law)を用いて求めた大凡の値でもよい。 In the present specification, the composition ratio can be determined by, for example, composition analysis by the EDX method (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy). In discussing the relative magnitude relationship of the composition ratio, the composition ratio is not limited to the EDX method, and may be a value obtained by, for example, composition analysis by Auger Electron Spectroscopy. Further, the composition ratio may be an approximate value obtained by using the Vegard's law based on the lattice constant obtained from the X-ray diffraction measurement, for example.
負電極8は、n型AlGaN系半導体層3とオーミック接触を得るために、n型AlGaN系半導体層3の表面3a上において発光層4に覆われていない部位3aa上に形成されているコンタクト用電極である。負電極8は、一例として、第1のAl層と第1のNi層と第2のAl層と第2のNi層とAu層との積層膜(以下、「第1積層膜」ともいう)をn型AlGaN系半導体層3の部位3aa上に形成してから、アニール処理を行い、徐冷を行うことにより形成されている。第1積層膜は、一例として、第1のAl層、第1のNi層、第2のAl層、第2のNi層及びAu層の厚さを、それぞれ、200nm、30nm、200nm、30nm及び200nmに設定してある。ここで、負電極8は、NiとAlとを主成分とする凝固組織により構成されている。「凝固組織」とは、溶融金属が固体に変態する結果生成した結晶組織を意味する。言い換えれば、「凝固組織」は、NiとAlとを含む溶融金属が凝固することにより形成された溶融凝固組織である。NiとAlとを主成分とする凝固組織は、例えば、不純物としてAu及びNを含んでいてもよい。凝固組織は、n型AlGaN系半導体層3の部位3aaに接する複数のNi初晶と、n型AlGaN系半導体層3の部位3aaに接するAlNi共晶と、が混在している。AlNi共晶は、Alの組成比が96〜97at%程度であるから、Niに比べてAlがリッチなAlリッチ(Al-rich)の組織である。負電極8を構成している凝固組織は、複数のNi初晶が主として接触抵抗の低減に寄与し、AlNi共晶が主としてシート抵抗の低減に寄与している、と推考される。Ni初晶は、例えば、不純物としてAuとNとを含んでいるのが好ましい。Ni初晶が不純物としてNを含んでいる理由としては、Ni初晶が結晶成長するときにn型AlGaN系半導体層3から一部のNを引き抜いて固溶する推定メカニズムが考えられる。AlNi共晶は、例えば、不純物としてAuを含んでいてもよい。Ni初晶は、樹枝状結晶であり、n型AlGaN系半導体層3の厚さ方向に直交する断面形状が樹枝状であるのが好ましい。
The
なお、負電極8は、NiとAlとを主成分とする構成に限らず、例えば、TiとAlとを主成分とする構成でもよい。
Note that the
正電極9は、p型AlGaN系半導体層5とオーミック接触を得るために、p型AlGaN系半導体層5の表面5a上に形成されているコンタクト用電極である。正電極9は、一例としてNi層とAu層との積層膜(以下、「第2積層膜」ともいう)をp型AlGaN系半導体層5の表面5a上に形成してから、アニール処理を行うことにより形成されている。第2積層膜は、一例として、Ni層及びAu層の厚さを、それぞれ、20nm、150nmに設定してある。
The
紫外線発光素子10は、負電極8上に、第1パッド電極(図示せず)を備えているのが好ましい。第1パッド電極は、外部接続用電極である。第1パッド電極は、例えば、Ti膜とAu膜との積層膜である。第1パッド電極は、負電極8に電気的に接続される。第1パッド電極は、負電極8を覆っているのが好ましい。
The ultraviolet
また、紫外線発光素子10は、正電極9上に、第2パッド電極(図示せず)を備えているのが好ましい。第2パッド電極は、外部接続用電極である。第2パッド電極は、例えば、Ti膜とAu膜との積層膜である。第2パッド電極は、正電極9に電気的に接続される。第2パッド電極は、正電極9を覆っているのが好ましい。
The ultraviolet
紫外線発光素子10は、UV−Cの波長域に限らず、例えば、UV−Bの波長域の紫外線を放射するように構成されていてもよい。「UV−Bの波長域」とは、例えば国際照明委員会における紫外線の波長による分類によれば、280nm〜315nmである。
The ultraviolet
以下では、紫外線発光素子10の製造方法について図1A〜1Eに基づいて説明する。
Below, the manufacturing method of the ultraviolet
紫外線発光素子10の製造方法では、まず、複数の紫外線発光素子10それぞれの基板1の元になるウェハ100を準備する。ウェハ100は、例えば、サファイアウェハである。
In the method for manufacturing the ultraviolet
紫外線発光素子10の製造方法では、ウェハ100を準備した後、ウェハ100の前処理を行ってから、ウェハ100をMOVPE(metal organic vapor phase epitaxy)装置の反応炉内に導入し、その後、ウェハ100の第1面101上に、積層体20の元になるエピタキシャル層21をMOVPE法により成長させる(図1A参照)。エピタキシャル層21は、バッファ層2と、n型AlGaN系半導体層3と、発光層4と、p型AlGaN系半導体層5の元になるAlGaN系半導体層6と、を含む多層エピタキシャル層である。ウェハ100の第1面101は、基板1の第1面1aに相当する表面である。MOVPE法において、Alの原料ガスとしては、トリメチルアルミニウム(TMAl)を採用するのが好ましい。Gaの原料ガスとしては、トリメチルガリウム(TMGa)を採用するのが好ましい。Inの原料ガスとしては、トリメチルインジウム(TMIn)を採用するのが好ましい。Nの原料ガスとしては、NH3を採用するのが好ましい。n型導電性を付与する不純物であるSiの原料ガスとしては、テトラエチルシラン(TESi)を採用するのが好ましい。p型導電性に寄与する不純物であるMgの原料ガスとしては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム(Cp2Mg)を採用するのが好ましい。各原料ガスそれぞれのキャリアガスとしては、例えば、H2ガスを採用するのが好ましい。各原料ガスは、特に限定されず、例えば、Gaの原料ガスとしてトリエチルガリウム(TEGa)、Nの原料ガスとしてヒドラジン誘導体、Siの原料ガスとしてモノシラン(SiH4)を採用してもよい。エピタキシャル層21の成長条件は、バッファ層2、n型AlGaN系半導体層3、発光層4及びAlGaN系半導体層6それぞれについて、基板温度、V/III比、各原料ガスの供給量、成長圧力等を適宜設定すればよい。「基板温度」とは、ウェハ100の温度を意味する。「基板温度」は、例えば、MOVPE装置の反応炉内においてウェハ100を支持するサセプタ(susceptor)の温度を代用することができる。「V/III比」とは、III族元素の原料ガス(Alの原料ガス、Gaの原料ガス、Inの原料ガス)のモル供給量[μmol/min]に対するV族元素であるNの原料ガスのモル供給量[μmol/min]との比である。「成長圧力」とは、各原料ガス及び各キャリアガスをMOVPE装置の反応炉内に供給している状態における反応炉内の圧力である。基板温度は、熱電対により測定したサセプタの温度を代用することができる。バッファ層2を成長するときには、例えば、原料ガスとしてTMAl及びNH3を反応炉内に供給し、かつ成長圧力を40kPa、基板温度を1300℃とする。n型AlGaN系半導体層3を成長するときには、例えば、原料ガスとしてTMAl、TMGa、NH3を及びTESiを反応炉内に導入し、かつ成長圧力を20kPa、基板温度を1100℃とする。発光層4を成長するときには、例えば、原料ガスとしてTMAl、TMGa及びNH3を反応炉内に導入し、かつ成長圧力を20kPa、基板温度を1100℃とする。AlGaN系半導体層6を成長するときには、例えば、原料ガスとしてTMAl、TMGa、NH3及びCp2Mgを供給し、かつ成長圧力を20kPa、基板温度を1100℃とする。
In the method of manufacturing the ultraviolet
紫外線発光素子10の製造方法では、ウェハ100の第1面101上にエピタキシャル層21を成長させる第1工程の後、エピタキシャル層21が成長されているウェハをMOVPE装置から取り出す。以下では、少なくともウェハ100とエピタキシャル層21とを備えた構造体を、エピタキシャルウェハ120と称する。
In the method for manufacturing the ultraviolet
紫外線発光素子10の製造方法では、MOVPE装置から取り出したエピタキシャルウェハ120を第1のアニール装置130に導入し、AlGaN系半導体層6のMg(p型不純物)を活性化するための第1の加熱処理を行う(図1B参照)。第1の加熱処理は、AlGaN系半導体層6中の水素を除去(脱離)させるためにAlGaN系半導体層6を加熱する処理である。「AlGaN系半導体層6中の水素を除去する」とは、AlGaN系半導体層6中の全部の水素に限らず、一部の水素を除去することを含む概念である。第1の加熱処理を行うことにより、AlGaN系半導体層6の正孔濃度を高めることができ、p型導電性を向上させることができる。これは、第1の加熱処理を行うことにより、AlGaN系半導体層6中においてMgと結合しているHが除去され、Mgが活性化されると推考される。正孔濃度は、例えば、ホール測定の結果から求められるキャリア濃度(carrier concentration)である。
In the method for manufacturing the ultraviolet
第1の加熱処理を行うための第1のアニール装置130としては、例えば、ランプアニール装置(Lamp Annealing Apparatus)、電気炉アニール装置等を採用することができる。第1の加熱処理の条件(第1のアニール条件)は、例えば、アニール温度が600℃〜1000℃、アニール時間が10分〜50分である。第1のアニール条件は、一例として、アニール温度が750℃、アニール時間が10分である。第1の加熱処理は、例えば、不活性ガス雰囲気中で行うのが好ましい。不活性ガスは、N2ガスが好ましい。これにより、第1の加熱処理を行っているときに、AlGaN系半導体層6の構成元素であるNの脱離を抑制することが可能となり、Nの脱離に起因したAlGaN系半導体層6の欠陥の発生を抑制することが可能となると推考される。第1の加熱処理では、エピタキシャルウェハ120全体を加熱するようにしているが、これに限らず、少なくともAlGaN系半導体層6を加熱すればよい。また、第1の加熱処理は、第1のアニール装置130において行う場合に限らず、例えば、MOVPE装置からエピタキシャルウェハ120を取り出す前にMOVPE装置の反応炉内で行ってもよい。
As the
ところで、本願発明者らは、第1の加熱処理までが終了した評価用の第1サンプルについて、AlGaN系半導体層6(p型Al0.70Ga0.30N層)の不純物の濃度をSIMSにより評価した。その結果、AlGaN系半導体層6の不純物の濃度に関しては、Mgの濃度が1.5×1020cm-3、Oの濃度が1.0×1018cm-3であり、Mgの濃度に対するOの濃度の割合が6.67%であった。また、本願発明者らは、AlGaN系半導体層6に代えて成長させたGaN層(Mgを含有させたGaN)に対して第1の加熱処理まで行った評価用の第2サンプルについて、p型GaN層の不純物の濃度をSIMSにより評価した。その結果、p型GaN層の不純物の濃度に関しては、Mgの濃度が1.5×1019cm-3、Oの濃度が検出限界未満(5.0×1016cm-3未満)であり、Mgの濃度に対するOの濃度の割合が0.03%未満であった。そして、本願発明者らは、AlGaN系半導体層6(p型Al0.70Ga0.30N層)の正孔濃度がp型GaNと比べて低くなる原因の一つが、AlGaN系半導体層6(p型Al0.70Ga0.30N層)中のMgの濃度とOの濃度との濃度比が大きいことにあると考えた。
By the way, the inventors of the present application evaluated the impurity concentration of the AlGaN-based semiconductor layer 6 (p-type Al 0.70 Ga 0.30 N layer) by SIMS for the first sample for evaluation after the first heat treatment was completed. As a result, regarding the impurity concentration of the AlGaN-based
そこで、本願発明者らは、紫外線発光素子10の製造方法では、AlGaN系半導体層6に対して第1の加熱処理を行う第2工程の後、第1のアニール装置130からエピタキシャルウェハ120を取り出してから、エピタキシャルウェハ120を第2のアニール装置140に導入し、AlGaN系半導体層6中のOを脱離させるための第2の加熱処理を行うようにした(図1C参照)。第2の加熱処理は、AlGaN系半導体層6の表面を、水素を含まない還元性を有する物質に接するようにして加熱する処理である。「AlGaN系半導体層6中のOを除去する」とは、AlGaN系半導体層6中の全部の酸素に限らず、一部の酸素を除去することを含む概念である。これにより、紫外線発光素子10の製造方法では、AlGaN系半導体層6のOと還元性を有する物質との還元反応によりAlGaN系半導体層6中のOを除去でき、かつ、第2の加熱処理中にAlGaN系半導体層6中にHが取り込まれるのを抑制することが可能となる。第2の加熱処理を行うことにより、AlGaN系半導体層6からOが除去されたp型AlGaN系半導体層5が形成される。還元性を有する物質は、一例として、還元性ガスである。還元性ガスは、例えば、COガスである。還元性ガスは、COガスに限らず、例えば、NO(一酸化窒素)ガス等でもよい。また、第2の加熱処理では、AlGaN系半導体層6の表面を還元性ガスのみに接するようにしてAlGaN系半導体層6を加熱する場合に限らず、例えば、AlGaN系半導体層6の表面を還元性ガス及び不活性ガス(例えば、N2ガス)に接するようにしてAlGaN系半導体層6を加熱するようにしてもよい。
Accordingly, the inventors of the present invention take out the
第2の加熱処理を行うための第2のアニール装置140としては、例えば、ランプアニール装置、電気炉アニール装置等を採用することができる。第2の加熱処理の条件(第2のアニール条件)は、例えば、アニール温度が400℃〜1000℃、アニール時間が10分〜50分である。アニール温度は、AlGaN系半導体層6の分解、Nの脱離等を防ぐ観点から、AlGaN系半導体層6の成長温度以下であるのが好ましい。これにより、第2の加熱処理を行っているときに、AlGaN系半導体層6の欠陥の発生を抑制することが可能になると推考される。第2の加熱処理では、エピタキシャルウェハ120全体を加熱するようにしているが、これに限らず、少なくともAlGaN系半導体層6を加熱すればよい。また、第2の加熱処理は、第2のアニール装置140において行う場合に限らず、例えば、第1のアニール装置130からエピタキシャルウェハ120を取り出す前に第1のアニール装置130において行ってもよい。また、第2の加熱処理は、MOVPE装置からエピタキシャルウェハ120を取り出す前にMOVPE装置の反応炉内で行ってもよい。
As the
紫外線発光素子10の製造方法では、AlGaN系半導体層6に対して第2の加熱処理を行う第3工程の後、第2のアニール装置140からエピタキシャルウェハ120を取り出した後、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術等を利用してメサ構造11を形成する(図1D参照)。
In the method for manufacturing the ultraviolet
紫外線発光素子10の製造方法では、メサ構造11を形成する第4工程の後、電気絶縁膜(図示せず)を形成する。電気絶縁膜は、CVD(chemical vapor deposition)法等の薄膜形成技術、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術を利用して形成することができる。
In the method for manufacturing the ultraviolet
紫外線発光素子10の製造方法では、上述の電気絶縁膜を形成する第5工程の後、負電極8及び正電極9を形成する(図1E参照)。負電極8を形成するには、まず、エピタキシャルウェハ120の表面に、負電極8の形成予定領域のみが露出するようにパターニングされた第1レジスト層を形成する。その後には、例えば、厚さ100nmの第1のAl層、厚さ20nmの第1のNi層、厚さ100nmの第2のAl層、厚さ20nmの第2のNi層及び厚さ100nmのAu層を積層した第1積層膜を蒸着法により形成する。第1積層膜を形成した後には、リフトオフを行うことにより、第1レジスト層及び第1レジスト層上の不要膜(第1積層膜のうち第1レジスト層上に形成されている部分)を除去することで第1積層膜をパターニングする。その後には、アニール処理を行う。アニール処理は、負電極8とn型AlGaN系半導体層3との接触をオーミック接触とするための処理である。第1積層膜の積層構造及び各厚さは、一例であり、特に限定されない。アニール処理は、N2ガス雰囲気中でのRTA(Rapid Thermal Annealing)が好ましい。RTA処理の条件は、例えば、アニール温度を700℃、アニール時間を1分とすればよいが、これらの値は一例であり、特に限定するものではない。アニール温度は、Alの拡散が起こりやすい温度が好ましく、650℃以上750℃未満の温度が、より好ましい。アニール時間は、例えば、30秒〜3分程度の範囲で設定すればよい。なお、TiとAlとを主成分とする負電極8を形成するには、Ti層とAl層との積層膜を形成し、パターニングした後、アニール温度800℃、アニール時間1分でアニール処理を行えばよい。
In the method for manufacturing the ultraviolet
紫外線発光素子10の製造方法では、負電極8を形成した後に、正電極9を形成する。正電極9を形成するためには、まず、エピタキシャルウェハ120の表面に、正電極9の形成予定領域のみが露出するようにパターニングされた第2レジスト層を形成する。その後には、例えば、厚さ20nmのNi層と厚さ150nmのAu層との第2積層膜を電子ビーム蒸着法により形成し、リフトオフを行うことにより、第2レジスト層及び第2レジスト層上の不要膜(第2積層膜のうち第2レジスト層上に形成されている部分)を除去する。その後には、正電極9とp型AlGaN系半導体層5との接触がオーミック接触となるように、N2ガス雰囲気中でRTA処理を行う。第2積層膜の積層構造及び各厚さは、一例であり、特に限定されない。また、RTA処理の条件は、例えば、アニール温度を500℃、アニール時間を15分とすればよいが、これらの値は一例であり、特に限定するものではない。
In the method for manufacturing the ultraviolet
紫外線発光素子10の製造方法では、負電極8及び正電極9を形成する第6工程の後、第1パッド電極及び第2パッド電極は、例えば、フォトリソグラフィ技術および薄膜形成技術を利用してリフトオフ法により形成する。
In the method for manufacturing the ultraviolet
紫外線発光素子10の製造方法では、紫外線発光素子10が複数形成されたエピタキシャルウェハ120を得ることができる。
In the method for manufacturing the ultraviolet
紫外線発光素子10の製造方法では、第1パッド電極及び第2パッド電極を形成する第7工程の後、エピタキシャルウェハ120をダイシングソー(dicing saw)等によって切断することで、1枚のエピタキシャルウェハ120から複数の紫外線発光素子10を得ることができる。紫外線発光素子10の製造方法では、エピタキシャルウェハ120を切断する前に、ウェハ100の厚さを基板1の所望の厚さとするようにウェハ100を第1面101とは反対の第2面102側から研磨することが好ましい。これにより、紫外線発光素子10の製造方法は、製造歩留りの向上を図ることが可能となる。
In the method for manufacturing the ultraviolet
以上説明した本実施形態の紫外線発光素子10の製造方法は、n型AlGaN系半導体層3、発光層4及びp型AlGaN系半導体層5の順に並んでいる積層体20と、n型AlGaN系半導体層3の表面3aにおいて発光層4で覆われていない部位に直接設けられている負電極8と、p型AlGaN系半導体層5の表面5a上に直接設けられている正電極9と、を備えた紫外線発光素子10の製造方法である。p型AlGaN系半導体層5の形成にあたっては、MOVPE法により、Mg、Zn、Ca、Cd及びBeのうちの少なくとも1種を含むAlGaN系半導体層6を成長し、その後、AlGaN系半導体層6に対して、AlGaN系半導体層6中の水素を脱離させる第1の加熱処理を行ってから、水素を含まない還元性を有する物質に接するようにして第2の加熱処理を行う。よって、紫外線発光素子10の製造方法は、紫外線発光素子10の駆動電圧の低電圧化を図ることが可能になる。紫外線発光素子10の製造方法は、p型AlGaN系半導体層5のOの低濃度化によるp型AlGaN系半導体層5の低抵抗化を図ることが可能となり、紫外線発光素子10の駆動電圧の低電圧化を図ることが可能となる。
The method for manufacturing the ultraviolet
紫外線発光素子10の製造方法において、還元性を有する物質は、還元性ガスであるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10の製造方法は、製造工程の簡略化を図ることが可能となる。
In the method for manufacturing the ultraviolet
ここで、還元性ガスは、CO(一酸化炭素)であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10の製造方法は、AlGaN系半導体層6中へ新たな不純物が取り込まれるのを抑制しつつ、AlGaN系半導体層6中のOを脱離させることが可能となる。
Here, the reducing gas is preferably CO (carbon monoxide). Thereby, the manufacturing method of the ultraviolet
還元性を有する物質は、還元性金属であってもよい。これにより、紫外線発光素子10の製造方法は、第2の加熱処理のときにAlGaN系半導体層6の分解やNの脱離をより抑制することが可能となる。よって、紫外線発光素子10の製造方法では、p型AlGaN系半導体層5の更なる低抵抗化を図ることが可能となる。
The reducing substance may be a reducing metal. Thereby, the manufacturing method of the ultraviolet
紫外線発光素子10の製造方法において、還元性を有する物質が還元性金属である場合、上述の第1の加熱処理を行った後、第1のアニール装置130からエピタキシャルウェハ120を取り出してから、AlGaN系半導体層6の表面上に還元性金属層7(図2参照)を形成し、その後、エピタキシャルウェハ120を第2のアニール装置140に導入し、AlGaN系半導体層6中のOを脱離させるための第2の加熱処理を行う。還元性金属層7の形成方法としては、例えば、真空蒸着法、スパッタ法等を採用すればよい。
In the method for manufacturing the ultraviolet
還元性金属は、アルカリ金属又はアルカリ土類金属であるのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10の製造方法は、AlGaN系半導体層6中へ新たな不純物が取り込まれるのを抑制しつつ、AlGaN系半導体層6中のOを脱離させることが可能となる。
The reducing metal is preferably an alkali metal or an alkaline earth metal. Thereby, the manufacturing method of the ultraviolet
紫外線発光素子10の製造方法においては、第2の加熱処理の後に還元性金属を除去し、その後、p型AlGaN系半導体層5の表面5a上に正電極9を形成するのが好ましい。これにより、紫外線発光素子10の製造方法は、正電極9の材料の選択の自由度が高くなり、p型AlGaN系半導体層5と正電極9との接触抵抗の更なる低抵抗化を図ることが可能となる。これにより、紫外線発光素子10の製造方法は、紫外線発光素子10の駆動電圧の更なる低電圧化を図ることが可能となる。還元性金属を除去するには、還元性金属層7をエッチングにより除去すればよい。
In the method for manufacturing the ultraviolet
基板1は、単結晶基板であり、サファイア基板であるのが好ましい。単結晶基板は、サファイア基板に限らず、例えば、SiC基板、AlN基板等でもよい。これにより、紫外線発光素子10は、発光層4から放射された紫外線を基板1の第2面1bから出射させることが可能となる。
The substrate 1 is a single crystal substrate and is preferably a sapphire substrate. The single crystal substrate is not limited to a sapphire substrate, and may be, for example, a SiC substrate, an AlN substrate, or the like. Thereby, the ultraviolet
紫外線発光素子10は、発光層4とp型AlGaN系半導体層5との間に電子ブロック層(electron blocking layer)を備えていてもよい。電子ブロック層は、積層体20の厚さ方向において発光層4側からの電子をブロックするための層である。言い換えれば、電子ブロック層は、n型AlGaN系半導体層3から発光層4へ注入された電子のうち、発光層4中で正孔と再結合されなかった電子が、p型AlGaN系半導体層5へ漏れる(オーバーフローする)のを抑制するための層である。電子ブロック層は、例えば、p型AlGaN層により構成され、p型AlGaN系半導体層5よりもAlの組成比が大きく、かつ、Mgを含有しているのが好ましい。電子ブロック層は、例えば、厚さ50nmのp型Al0.90Ga0.10N層である。この場合、紫外線発光素子10の製造方法では、MOVPE法により、発光層4を成長した後に、電子ブロック層の元になるAlGaN層を成長してからAlGaN系半導体層6を成長させる。
The ultraviolet
紫外線発光素子10は、紫外線を放射するLEDチップに限らず、例えば、紫外線を放射するLDチップ(Laser Diode Chip)でもよい。
The ultraviolet
1 基板
1a 一表面
3 n型AlGaN系半導体層
3a 表面
3aa 部位
4 発光層
5 p型AlGaN系半導体層
5a 表面
6 AlGaN系半導体層
8 負電極
9 正電極
10 紫外線発光素子
20 積層体
1
Claims (6)
前記p型AlGaN系半導体層の形成にあたっては、
MOVPE法により、Mg、Zn、Ca、Cd及びBeのうちの少なくとも1種を含むAlGaN系半導体層を成長し、
その後、前記AlGaN系半導体層に対して、前記AlGaN系半導体層中の水素を脱離させる第1の加熱処理を行ってから、水素を含まない還元性を有する物質に接するようにして第2の加熱処理を行う、
ことを特徴とする紫外線発光素子の製造方法。 A laminate in which an n-type AlGaN-based semiconductor layer, a light-emitting layer, and a p-type AlGaN-based semiconductor layer are arranged in this order, and a surface of the n-type AlGaN-based semiconductor layer that is not directly covered with the light-emitting layer. A method for producing an ultraviolet light emitting device comprising a negative electrode and a positive electrode provided directly on the surface of the p-type AlGaN-based semiconductor layer,
In forming the p-type AlGaN-based semiconductor layer,
Growing an AlGaN-based semiconductor layer containing at least one of Mg, Zn, Ca, Cd, and Be by the MOVPE method,
Thereafter, a first heat treatment for desorbing hydrogen in the AlGaN-based semiconductor layer is performed on the AlGaN-based semiconductor layer, and then a second material is brought into contact with the reducing substance not containing hydrogen. Heat treatment,
A method for producing an ultraviolet light-emitting element.
ことを特徴とする請求項1記載の紫外線発光素子の製造方法。 The reducing substance is a reducing gas.
The method for producing an ultraviolet light-emitting device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2記載の紫外線発光素子の製造方法。 The reducing gas is CO gas.
The method for producing an ultraviolet light-emitting device according to claim 2.
ことを特徴とする請求項1記載の紫外線発光素子の製造方法。 The reducing substance is a reducing metal.
The method for producing an ultraviolet light-emitting device according to claim 1.
ことを特徴とする請求項4記載の紫外線発光素子の製造方法。 The reducing metal is an alkali metal or an alkaline earth metal,
The method for producing an ultraviolet light-emitting element according to claim 4.
その後、前記p型AlGaN系半導体層の前記表面上に前記正電極を形成する、
ことを特徴とする請求項4又は5記載の紫外線発光素子の製造方法。 Removing the reducing metal after the second heat treatment;
Thereafter, the positive electrode is formed on the surface of the p-type AlGaN-based semiconductor layer.
The method for producing an ultraviolet light-emitting device according to claim 4 or 5, wherein:
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