JP2018029095A - 発光素子の特性評価方法及び発光素子の特性評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子の電気特性を簡単容易に評価することができ、半導体積層部のバンドギャップの管理を的確に行うことのできる発光素子の特性評価方法及び発光素子の特性評価装置を提供する。【解決手段】第１導電型層と、活性層と、第２導電型層と、を有する発光素子の特性評価方法において、電圧と静電容量に関するＣ−Ｖ特性を取得するＣ−Ｖ特性取得工程と、取得されたＣ−Ｖ特性に基づいて第１導電型層、活性層及び第２導電型層における厚さ方向のキャリア濃度分布を特定する濃度特定工程と、特定されたキャリア濃度分布における、第１導電型層側の第１ピークと第２導電層側の第２ピークとの厚さ方向のピーク間距離を特定する距離特定工程と、特定されたピーク間距離と予め設定された特性評価距離とを比較する距離比較工程と、を含むようにした、【選択図】図２

Description

本発明は、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を有する発光素子の特性評価方法及び発光素子の特性評価装置に関する。

一般に、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を含む半導体積層部を有する発光素子の電気特性は、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法等により半導体積層部の各層を結晶成長させる際に、各層の膜厚を制御することにより管理される。しかしながら、半導体積層部のバンドギャップの管理を膜厚の制御で行うことは困難であり、製造された各発光素子の電流電圧特性等に分布が生じてしまう。従って、製造された発光素子ごとに電気特性を測定して評価しているのが現状である。

この種の発光素子の評価方法として、活性層中の活性キャリア濃度に着目したものが提案されている（特許文献１参照）。特許文献１に記載の評価方法によれば、エピタキシャル成長方向に沿って発光素子の断面を露呈させ、露呈した断面の表面に探針を接触させて、ｐ型クラッド層からｎ型クラッド層にかけてＳＣＭ（走査型静電容量顕微鏡）によってｄｃ／ｄｖ信号を測定し、この測定値を基に活性層中の活性キャリア濃度を評価している。

特開２０１０−２７２７９０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の評価方法は、ＳＣＭによるｄｃ／ｄｖ信号の測定が可能なように断面を露出させる必要があるし、測定時には発光素子断面の深さ方向に探針を走査させなければならず、これらを実現するために精密な機器が必要となり、かつ、ｄｃ／ｄｖ信号の測定に多大な時間を要するという問題点がある。また、ｐ型クラッド層、活性層及びｎ型クラッド層のｄｃ／ｄｖ信号を比較しているのみであり、ｐ型クラッド層、活性層及びｎ型クラッド層の厚さ方向のパラメータについて評価は行われていない。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発光素子の電気特性を簡単容易に評価することができ、半導体積層部のバンドギャップの管理を的確に行うことのできる発光素子の特性評価方法及び発光素子の特性評価装置を提供することにある。

本発明では、第１導電型層と、活性層と、第２導電型層と、を有する発光素子の特性評価方法であって、前記第１導電型層、前記活性層及び前記第２導電型層に電圧を印加して、電圧と静電容量に関するＣ−Ｖ特性を取得するＣ−Ｖ特性取得工程と、前記Ｃ−Ｖ特性取得工程にて取得された前記Ｃ−Ｖ特性に基づいて、前記第１導電型層、前記活性層及び前記第２導電型層における厚さ方向のキャリア濃度分布を特定する濃度特定工程と、前記濃度特定工程にて特定された前記キャリア濃度分布における、前記第１導電型層側の第１ピークと前記第２導電層側の第２ピークとの厚さ方向のピーク間距離を特定する距離特定工程と、前記距離特定工程にて特定された前記ピーク間距離と、予め設定された特性評価距離と、を比較する距離比較工程と、を含む発光素子の特性評価方法が提供される。

上記発光素子の特性評価方法において、前記濃度特定工程にて特定された前記キャリア濃度分布における、前記第１ピークと前記第２ピークの少なくとも一方のキャリア濃度と、予め設定された特性評価濃度と、を比較する濃度比較工程をさらに含んでもよい。

上記発光素子の特性評価方法において、前記濃度特定工程にて特定された前記キャリア濃度分布における、前記第１ピークのキャリア濃度と、前記第２ピークのキャリア濃度を比較するピーク比較工程をさらに含んでもよい。

また、本発明では、第１導電型層と、活性層と、第２導電型層と、を有する発光素子の特性評価装置であって、前記第１導電型層、前記活性層及び前記第２導電型層に電圧を印加して、電圧と静電容量に関するＣ−Ｖ特性を取得するＣ−Ｖ特性取得部と、前記Ｃ−Ｖ特性取得部にて取得された前記Ｃ−Ｖ特性に基づいて、前記第１導電型層、前記活性層及び前記第２導電型層における厚さ方向のキャリア濃度分布を特定する濃度特定部と、前記濃度特定部にて特定された前記キャリア濃度分布における、前記第１導電型層側の第１ピークと前記第２導電層側の第２ピークとの厚さ方向のピーク間距離を特定する距離特定部と、前記距離特定部にて特定された前記ピーク間距離と、予め設定された特性評価距離と、を比較する距離比較部と、を含む発光素子の特性評価装置が提供される。

上記発光素子の特性評価装置において、前記濃度特定部にて特定された前記キャリア濃度分布における、前記第１ピークと前記第２ピークの少なくとも一方のキャリア濃度と、予め設定された特性評価濃度と、を比較する濃度比較部をさらに含んでもよい。

上記発光素子の特性評価装置において、前記濃度特定工程にて特定された前記キャリア濃度分布における、前記第１ピークのキャリア濃度と、前記第２ピークのキャリア濃度を比較するピーク比較部をさらに含んでもよい。

本発明によれば、発光素子の電気特性を簡単容易に評価することができ、半導体積層部のバンドギャップの管理を的確に行うことができる。

図１は、本発明の一実施形態を示す発光素子の模式断面説明図である。 図２は、発光素子の特性評価方法を示すフローチャートである。 図３は、取得されたＣ−Ｖ特性の一例を示し、横軸を電圧、縦軸を静電容量としたグラフである。 図４は、取得されたＣ^−２−Ｖ特性の一例を示し、横軸を電圧、縦軸を静電容量の二乗の逆数としたグラフである。 図５は、特定されたキャリア濃度分布の一例を示し、横軸を深さ、縦軸をキャリア濃度としたグラフである。 図６は、ｐ型クラッド層、活性層、及び、ｎ型クラッド層における特定された正常なキャリア濃度分布の一例を示し、横軸を深さ、縦軸をキャリア濃度としたグラフである。 図７は、発光素子における動作電流とピーク間距離の関係を示し、横軸をピーク間距離、縦軸を動作電流としたグラフである。 図８は、特性評価用のウエーハの平面説明図である。 図９は、特性評価用のウエーハの模式断面説明図である。 図１０は、ｐ型クラッド層、活性層、及び、ｎ型クラッド層における特定された不正常なキャリア濃度分布を示し、（ａ）はＬＥＤ素子１の動作電流が特に大きくなる例を示し、（ｂ）はＬＥＤ素子１の動作電流がやや大きくなる例を示す。 図１１は、発光素子の特性評価装置の概略構成ブロック図である。

図１から図１１は本発明の一実施形態を示し、図１は本発明の一実施形態を示すＬＥＤ素子の模式断面説明図である。

図１に示すように、このＬＥＤ素子１は、素子基板１０上に、III族窒化物半導体からなる半導体積層部２０が形成されたものである。素子基板１０は、例えばサファイアからなる。また、半導体積層部２０上には、後述するように、ｐ側電極３０及びｎ側電極４０が形成される。半導体積層部は、バッファ層２１、ｎ型コンタクト層２２、ｎ型クラッド層２３、活性層２４、ｐ型クラッド層２５及びｐ型コンタクト層２６を素子基板１０側からこの順に有している。ｐ型コンタクト層２６上にはｐ側電極３０が形成されるとともに、ｎ型コンタクト層２２上にはｎ側電極４０が形成されている。

バッファ層２１は例えばＧａＮで構成され、ｎ型コンタクト層２２は例えばｎ−ＧａＮで構成され、ｎ型クラッド層２３は例えばｎ−ＡｌＧａＮで構成され、活性層２４は例えばＧａＮで構成され、ｐ型クラッド層２５は例えばｐ−ＡｌＧａＮで構成され、ｐ型コンタクト層２６は例えばｐ−ＧａＮで構成される。活性層２４は、単一量子井戸構造であっても多重量子井戸構造であってもよい。バッファ層２１、ｎ型コンタクト層２２、ｎ型クラッド層２３、活性層２４、ｐ型クラッド層２５及びｐ型コンタクト層２６には、必要に応じて不純物がドープされている。本実施形態においては、ｎ型コンタクト層２２及びｎ型クラッド層２３にＳｉがドープされ、ｐ型クラッド層２５及びｐ型コンタクト層２６にＭｇがドープされている。バッファ層２１からｐ型コンタクト層２６までは、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法により形成される。尚、第１導電型層、活性層及び第２導電型層を少なくとも含み、第１導電型層及び第２導電型層に電圧が印加されると、電子及び正孔の再結合により活性層にて光が発せられるものであれば、半導体層の層構成は任意である。

ｐ側電極３０は、ｐ型コンタクト層２７上に形成され、例えばＡｕ等の材料からなる。本実施形態においては、ｐ側電極３０は、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成される。ｎ側電極２９は、ｐ型コンタクト層２７からｎ型コンタクト層２４の途中部分までをエッチングして、露出したｎ型コンタクト層２４上に形成される。ｎ側電極２９は、例えばＷ／Ａｌ／Ａｕから構成され、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等により形成される。

以上のように構成されたＬＥＤ素子１の特性評価方法について図２から図１０を参照して説明する。図２は、発光素子の特性評価方法を示すフローチャートである。

まず、ｐ型コンタクト層２７とｎ型コンタクト層２４に電圧を印加し、電圧と静電容量に関するＣ−Ｖ特性を取得する（ステップＳ１：Ｃ−Ｖ特性取得工程）。ここで得られるＣ−Ｖ特性の一例を図３に示す。図３は、発光素子のＣ−Ｖ特性を示し、横軸を電圧、縦軸を静電容量としたグラフである。また、このＣ−Ｖ特性を、Ｃ^−２−Ｖ特性とすると図４のようになる。図４は、発光素子のＣ^−２−Ｖ特性を示し、横軸を電圧、縦軸を静電容量の二乗の逆数としたグラフである。

次いで、Ｃ−Ｖ特性取得工程にて取得されたＣ−Ｖ特定に基づいて、ｐ型クラッド層２５、活性層２４及びｎ型クラッド層２３における厚さ方向のキャリア濃度分布を特定する（ステップＳ２：濃度特定工程）。本実施形態においては、ｐ型コンタクト層２７の表面からｎ型コンタクト層２４の露出面までの深さ方向のキャリア濃度分布を特定する。ここで、Ｃ^−２−Ｖ特性における特性線の傾きはキャリア濃度の逆数に比例することから、キャリア濃度分布を求めることができる。ここで特定されるキャリア濃度分布の一例を図５に示す。図５は、発光素子のキャリア濃度分布を示し、横軸を深さ、縦軸をキャリア濃度としたグラフである。図５に示すように、キャリア濃度分布は、深さ方向について２つのピークを有している。

次に、濃度特定工程にて特定されたキャリア濃度分布における、ｐ型層側の第１ピークとｎ型層側の第２ピークとの厚さ方向のピーク間距離を特定する（ステップＳ３：距離特定工程）。図６は、発光素子のｐ型クラッド層、活性層、及び、ｎ型クラッド層における正常なキャリア濃度分布を示し、横軸を深さ、縦軸をキャリア濃度としたグラフである。図６に示すように、第１のピークａは活性層２４に隣接するｐ型層中に現れ、第２のピークｂは活性層２４に隣接するｎ型層中に現れる。距離特定工程において、この２つのピークａ，ｂ間の距離を特定する。図６の例では、第１のピークａは、第２のピークｂよりもキャリア濃度が小さくなっている。

そして、距離特定工程にて特定されたピーク間距離と、予め設定された特性評価距離と、を比較する（ステップＳ４：距離比較工程）。特性評価距離をどのように設定するかは任意であるが、例えば、所定電圧を印加した際に所定電流が流れる距離とすることができる。そして、ピーク間距離と特性評価距離とを比較して、例えば製造されたＬＥＤ素子１を選別する際には、ピーク間距離が特性評価距離に満たないものについては不良品と判定することができる。また、例えば試作されたＬＥＤ素子１を評価する際には、ピーク間距離が特性評価距離に満たないものについては目標性能に到達していないと判定することができる。

ここで、発明者による実験の結果、図７に示すように、ピーク間距離とＬＥＤ素子１の動作電流とは、所定の距離範囲内であれば、比例関係にあることが判明した。図７は、発光素子における動作電流とピーク間距離の関係を示し、横軸をピーク間距離、縦軸を動作電流としたグラフである。従って、ピーク間距離と特性評価距離を比較することにより、ＬＥＤ素子１の特性評価が可能となった。すなわち、ピーク間距離を制御することにより、半導体積層部２０のバンドギャップの管理を的確に行うことができる。

尚、ＬＥＤ素子１の特性評価は、素子の状態で行うこともできることは勿論であるが、例えば図８に示すように、素子の状態とする前にウエーハの状態で行うことが可能である。図８は、特性評価用のウエーハの平面説明図である。まず、基板ウエーハにＭＯＣＶＤ法により半導体積層部２０を形成してエピウエーハ１００を作成する。そして、エピウエーハ１００の半導体積層部側の表面１０１の一部をエッチングにより除去して、ｎ型コンタクト２２の露出面１０２を形成する。これにより、図９に示すように、ｐ型コンタクト層２６とｎ型コンタクト層２２の間に、例えばプローブ等を用いて通電可能な状態となる。このように、簡単容易に測定することができるので、製造されるエピウエーハ１００の全数について選別を行うことが可能となる。

また、図１０に示すように、図６において、第１のピークａ及び第２のピークｂのキャリア濃度が小さくなると、ＬＥＤ素子１の動作電流が大きくなることも判明している。図１０（ａ）はＬＥＤ素子１の動作電流が特に大きくなる例を示し、図１０（ｂ）はＬＥＤ素子１の動作電流がやや大きくなる例を示す。従って、第１のピークａ及び／又は第２のピークｂのキャリア濃度が、予め設定された基準濃度を下回った場合に、不良品と判定することが好ましい。例えば、第１のピークａのキャリア濃度が、１×１０^１７／ｃｍ^−３を下回った場合に、不良品と判定することができる。すなわち、図２のフローチャートにおいて、濃度特定工程にて特定されたキャリア濃度分布における、第１ピークａと第２ピークｂの少なくとも一方のキャリア濃度と、予め設定された特性評価濃度と、を比較する濃度比較工程がさらに含まれてもよい。

また、所期の性能を発揮するＬＥＤ素子１は、第１のピークａが第２のピークｂよりもキャリア濃度が小さくなるので、第１のピークａが第２のピークｂのキャリア濃度を上回った場合に、不良品と判定してもよい。すなわち、図２のフローチャートにおいて、濃度特定工程にて特定されたキャリア濃度分布における、第１ピークａのキャリア濃度と、第２ピークｂのキャリア濃度を比較するピーク比較工程がさらに含まれてもよい。

このように、本実施形態のＬＥＤ素子１の特性評価方法によれば、ＬＥＤ素子１の電気特性を簡単容易に評価することができ、半導体積層部２０のバンドギャップの管理を的確に行うことができる。具体的に、ＬＥＤ素子１の製造時に、Ｃ−Ｖ特性を取得することによりＬＥＤ素子１の選別を行うことができ、歩留まりを飛躍的に向上させることができる。また、本実施形態の特性評価方法により、ＬＥＤ素子１の動作電流の低減を図ることができ、ＬＥＤ素子１の高出力化を図ることができる。

図１１に発光素子の特性評価装置の具体例を示す。図１１は、発光素子の特性評価装置の概略構成ブロック図である。
図１１に示すように、発光素子の特性評価装置２００は、ｐ型コンタクト層２７とｎ型コンタクト層２４に電圧を印加し、電圧と静電容量に関するＣ−Ｖ特性を取得するＣ−Ｖ特性取得部２１０と、Ｃ−Ｖ特性取得部２１０にて取得されたＣ−Ｖ特性に基づいて、ｐ型クラッド層２５、活性層２４及びｎ型クラッド層２３における厚さ方向のキャリア濃度分布を特定する濃度特定部２２０と、濃度特定部２２０にて特定されたキャリア濃度分布における、ｐ型層側の第１ピークとｎ型層側の第２ピークとの厚さ方向のピーク間距離を特定する距離特定部２３０と、距離特定部２３０にて特定されたピーク間距離と、予め設定された特性評価距離と、を比較する距離比較部２４０と、を含んでいる。本実施形態においては、特性評価距離は、特性評価装置２００の記憶部２０５に予め記憶されている。
また、この特性評価装置２００において、濃度特定部２２０にて特定されたキャリア濃度分布における、第１ピークａと第２ピークｂの少なくとも一方のキャリア濃度と、予め設定された特性評価濃度と、を比較する濃度比較部がさらに含まれてもよい。
さらに、この特性評価装置２００において、濃度特定部２２０にて特定されたキャリア濃度分布における、第１ピークａのキャリア濃度と、第２ピークｂのキャリア濃度を比較するピーク比較部がさらに含まれてもよい。

尚、前記実施形態においては、ｐ型クラッド層、活性層及びｎ型クラッド層を有するＬＥＤ素子を評価したものを示したが、他の発光素子を評価することもできることはいうまでもない。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

１ ＬＥＤ素子
１０ 素子基板
２０ 半導体積層部
２１ バッファ層
２２ ｎ型コンタクト層
２３ ｎ型クラッド層
２４ 活性層
２５ ｐ型クラッド層
２６ ｐ型コンタクト層
３０ ｐ側電極
４０ ｎ側電極
１００ エピウエーハ
１０１ 表面
１０２ 露出面
２００ 特性評価装置
２０５ 記憶部
２１０ Ｃ−Ｖ特性取得部
２２０ 濃度特定部
２３０ 距離特定部
２４０ 距離比較部

Claims (6)

1. 第１導電型層と、活性層と、第２導電型層と、を有する発光素子の特性評価方法であって、
   前記第１導電型層、前記活性層及び前記第２導電型層に電圧を印加して、電圧と静電容量に関するＣ−Ｖ特性を取得するＣ−Ｖ特性取得工程と、
   前記Ｃ−Ｖ特性取得工程にて取得された前記Ｃ−Ｖ特性に基づいて、前記第１導電型層、前記活性層及び前記第２導電型層における厚さ方向のキャリア濃度分布を特定する濃度特定工程と、
   前記濃度特定工程にて特定された前記キャリア濃度分布における、前記第１導電型層側の第１ピークと前記第２導電層側の第２ピークとの厚さ方向のピーク間距離を特定する距離特定工程と、
   前記距離特定工程にて特定された前記ピーク間距離と、予め設定された特性評価距離と、を比較する距離比較工程と、を含む発光素子の特性評価方法。
2. 前記濃度特定工程にて特定された前記キャリア濃度分布における、前記第１ピークと前記第２ピークの少なくとも一方のキャリア濃度と、予め設定された特性評価濃度と、を比較する濃度比較工程をさらに含む請求項１に記載の発光素子の特性評価方法。
3. 前記濃度特定工程にて特定された前記キャリア濃度分布における、前記第１ピークのキャリア濃度と、前記第２ピークのキャリア濃度を比較するピーク比較工程をさらに含む請求項１または２に記載の発光素子の特性評価方法。
4. 第１導電型層と、活性層と、第２導電型層と、を有する発光素子の特性評価装置であって、
   前記第１導電型層、前記活性層及び前記第２導電型層に電圧を印加して、電圧と静電容量に関するＣ−Ｖ特性を取得するＣ−Ｖ特性取得部と、
   前記Ｃ−Ｖ特性取得部にて取得された前記Ｃ−Ｖ特性に基づいて、前記第１導電型層、前記活性層及び前記第２導電型層における厚さ方向のキャリア濃度分布を特定する濃度特定部と、
   前記濃度特定部にて特定された前記キャリア濃度分布における、前記第１導電型層側の第１ピークと前記第２導電層側の第２ピークとの厚さ方向のピーク間距離を特定する距離特定部と、
   前記距離特定部にて特定された前記ピーク間距離と、予め設定された特性評価距離と、を比較する距離比較部と、を含む発光素子の特性評価装置。
5. 前記濃度特定部にて特定された前記キャリア濃度分布における、前記第１ピークと前記第２ピークの少なくとも一方のキャリア濃度と、予め設定された特性評価濃度と、を比較する濃度比較部をさらに含む請求項４に記載の発光素子の特性評価装置。
6. 前記濃度特定工程にて特定された前記キャリア濃度分布における、前記第１ピークのキャリア濃度と、前記第２ピークのキャリア濃度を比較するピーク比較部をさらに含む請求項４または５に記載の発光素子の特性評価方法。

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