JP3183296B2 - 転倒型透明基板光電子装置とその製造 - Google Patents

転倒型透明基板光電子装置とその製造

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JP3183296B2 JP21841089A JP21841089A JP3183296B2 JP 3183296 B2 JP3183296 B2 JP 3183296B2 JP 21841089 A JP21841089 A JP 21841089A JP 21841089 A JP21841089 A JP 21841089A JP 3183296 B2 JP3183296 B2 JP 3183296B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ 本発明は、一般に、光電子装置に関するものであり、
とりわけ、転倒型透明基板を備えた光電子装置に関する
ものである。
［従来技術とその問題点］ 発光ガイオード（LED）は、ディスプレイ及びインジ
ケータに加え、ファイバーオプティックスの光源にもし
ばしば用いられる。あるタイプのLEDでは、ｐ−ｎ接合
半導体が用いられる。ｐタイプ（型）の領域とｎタイプ
（型）の領域に接触した１対の電極接点によって、接合
に対し電位差が加えられる。この結果、電子はｎタイプ
領域からｐタイプ領域へ接合部を通って注入され、ｐタ
イプ領域からｎタイプ領域へ接合部を通ってホールが注
入される。ｐタイプ領域では、注入された電子がホール
と再結合されて、発光し、ｎタイプ領域では、注入され
たホールが電子と再結合されて、発光する。発光の波長
は、電子とホールの再結合によって生じるエネルギーに
依存し；そのエネルギーは、ｐ−ｎ接合半導体の材料に
おける禁止帯の幅によって決まる。
発光効率を高めるためには、当該技術の熟練者には周
知のように、２つのタイプのキャリヤの一方、すなわ
ち、電子またはホールだけを接合部を通して注入し、両
方注入しないようにするのが望ましい。改良されたLED
の場合、ｐ−ｎ単一ヘテロ接合半導体が、用いられてい
る。ヘテロ接合は、２つの異なるタイプの材料間におけ
るインターフェイスである；従って、ヘテロ接合は、ｐ
タイプ半導体材料とｎタイプ半導体材料の間の接合に形
成される。単一ヘテロ接合素子の場合、ｐタイプ領域に
おけるエネルギー禁止帯の幅が、ｎタイプ領域における
エネルギー禁止帯の幅と異なるため、電子とホールの両
方ではなく、一方が、接合に注入される。こうして、注
入された電子またはホールは再結合されて、発光を生じ
させる。例えば、ｎタイプの領域とｐタイプの領域の材
料は、ｎタイプの領域の禁止帯の幅がｐタイプの領域に
比べて広くなるように選択すると、これによって、ｎタ
イプ領域からｐタイプ領域に注入される電子が、逆方向
に注入されるホールに比べて、ポテンシャル障壁が低く
なる。従って、ほとんど電子だけが接合を通して注入さ
れ、放射性再結合の生じるｐタイプ層については、以
後、ｐ活性層と呼ぶことにする。
二重ヘテロ接合LEDとして知られる素子では、ｐ活性
層と基板の間における禁止帯の幅がより広いもう１つの
ｐタイプの領域を付加することによって、単一ヘテロ接
合LEDより効率が改善されている。従って、第２のヘテ
ロ整合は、ｐ活性層と付加ｐタイプ層の間に生じる。禁
止帯の幅が広い方の付加ｐタイプ層は、禁止帯の幅が狭
い方のｐ活性層に注入された電子を閉じ込める手助けを
する。これにより、再吸収を最少限にとどめ、発光効率
の増す、はるかに薄いｐ活性層が可能になる。また、付
加ｐタイプ層によって、ｐ活性層から出る光のためにも
う１つの窓が形成される。
さまざまな禁止帯の幅を備えたｐタイプの層またはｎ
タイプの層は、III−Ｖ化合物の合金からエピタキシャ
ル層として成長するのが普通である。例えば、アルミニ
ウムガリウカ砒素（AlGaAs）半導体材料から効率的な赤
のLEDを製造することができる。半導体材料のエネルギ
ー禁止帯の幅は、ガリウム原子をアルミニウム原子と置
換することによって増大させることができる。結果得ら
れる材料においてアルミニウムの置換が増加すると、そ
れだけ、禁止帯の幅も広くなる。アルミニウムの濃度が
変動しても、格子定数は影響されることがなく、この特
性によって、格子に整合するAlGaAsの順次エピタキシア
ル層の成長が容易に行なえるようになる。一般に、再吸
収を最少限に抑えるため、全ての層について禁止帯の幅
が、活性層の禁止帯の幅よりも広くなるように選択され
る。こうして、これらの層は、活性層から放出される赤
い光に対し透明になる。同じ考えによって、エピタキシ
アル層が成長する基板の禁止帯の幅がもっと広くなるよ
うにするのが理想的である。しかし、ウェーハの形でAl
GaAsを得るのは不可能であり、代わりに、格子に整合す
るGaAsが、基板として用いられるのが普通である。
ガリウム砒素（GaAs）は、禁止帯の幅が1.43電子ボル
ト（ev）であり、光スペクトルの赤外端に相当する。従
って、可視光の吸収性が極めて高く、これに対し不透明
になる。GaAs基板に形成されたLED素子は、上部表面と
の臨界角反射によって反射される光だけでなく、不透明
な基板が見込む立体角内に放出される光も、吸収され
て、失なわれるという固有の欠点がある。この量は総光
出力の80％を超える。
透明基板のLEDを設けることが可能であり、その一例
が、1983年12月１日付のApplied Physics Letters第43
巻第11号1034〜1036頁にIshiguro他は、効率が８％のAl
GaAsによる赤のLEDを報告している。報告されたLEDに
は、透明基板の利点があるが、製造は、はるかに困難
で、費用もかかる。このプロセスには、吸収性のGaAs基
板上にAlGaAsの各種透明層を成長させることが必要にな
る。GaAs基板に隣接した第１の透明層は、代替基板とし
て働き、後続の層は、素子を構成する。その後、不透明
なGaAs基板を除去し、透明な代替基板上にだけ素子が残
るようにする。
透明基板のLED素子には、通常、その電気特性及び光
学特性が素子の性能にとって決定的な透明基板と素子の
層が含まれている。素子を支持するため、透明な代用基
板は、十分な厚さに成長すると同時に、素子層のエピタ
キシアル成長にも十分に適した表面を維持しなければな
らない。これは、２つの理由から高くつき、時間を浪費
することになる。第１に、基板を透明にするため、アル
ミニウムの濃度が高いAlGaAs組成を用いなければならな
い。こうした地盤（constituency）からの成長表面は、
酸素を吸収しやすく、その場合、その後の成長が劣化し
阻害される。
第２に、最良の条件下にあっても、厚いAlGaAs層の成
長には、欠陥部分が混じる。これでは、理想の基板とは
ほど遠いものしか得られない。粗雑な基板上に引続きエ
ピタキシャル成長する，かなり薄く、決定的な（critic
al）素子層は、故障率まで高くなることがないにせよ、
必然的にサンプル毎の変動がかなり大きくなる。
上述のように、透明基板の発光ダイオードを成長させ
るための既存のプロセスにおいては、最初に、厚い透明
基板層を成長させ、それに続いて、透明基板層の上に薄
いクリティカルな素子層を成長させる。上述のように、
この透明な基板層の上部表面では、クリティカルな素子
層の成長にとって理想的な表面などとうてい得られな
い。
［発明の目的］ 本発明の目的は、従来のプロセスを逆にすることによ
り、光電子装置の素子層の品質を改良し、上記の欠点を
解消することにある。
［発明の概要］ 従って、本発明では最初に不透明なGaAs基板の上に厚
い透明基板層を成長させ、それに続けて素子層を成長さ
せる代わりに最初に素子層を成長させることになる。
素子の発光特性にとってクリティカルな層が、まず成
長し、透明な基板層の成長が後続するので、本発明の上
述のプロセスによって成長する素子には利点がある。即
ち、品質の良好な表面に重要な素子層が形成されること
が確実になる。後で成長する透明基板は、ハンドルとし
て用いられるだけであり、その電気的および光学的特性
は、素子層のそれに比べて重要度が低い。従って、透明
基板が、素子層の上に成長するという事実によって素子
の性能はそれほど劣化せずにすむ。
本発明のプロセスは、発光電子を作る用途に限定され
るものではない。それは、一般に、電流を光に変換し、
または、光を電流に変換する素子の成長に有効なもので
ある。電流を光に、または、光を電流に変換するのに役
立つ決定的な素子層について、以下では集合的にセクシ
ョンと呼ぶことにする。本発明は、半導体材料に不純物
導入したセクションを支持する透明基板を含む光電子素
子形成を目的とするものである。該セクションは、電流
を光に、または、光を電流に変換する働きをする。従来
の透明な基板素子とは対照的に、透明基板層とセクショ
ンの形成順序が逆になっている。最初に、不透明な基板
上に、セクションがエピタキシャル形成され；次に、セ
クション自体に、透明基板が形成される。その後、不透
明な基板が除去され、透明基板上に光電子素子が残るこ
とになる。このためセクションは良好な表面上に形成で
きることになり、従って、透明基板の成長に関連した問
題とは無関係に、一貫した良好な結晶の質が確保され
る。
望ましい実施例の場合、不透明な基板はその上に素子
層を成長させうるIII−Ｖ属またはII−VI属の半導体材
料から成る。不透明基板は、105/cm2未満の低転位密度
であることが望ましい。
厚い透明基板層の成長には、１日程度の長い時間期間
が必要になる。本発明のプロセスでは、セクションが成
長してから、透明基板を成長させる必要があるので、従
って、セクションは、厚い透明基板層が形成される間、
長い時間期間にわたって高温にさらされることになる。
ｐタイプ装置に最もよく用いられる不純物は亜鉛であ
る。セクションの半導体材に対する不純物導入に亜鉛を
用いる場合、長い時間期間にわたって高温にさらすと、
不純物の許容できない拡散が生じることになる。従っ
て、本発明の場合、半導体材料の不純物は、十分に低い
拡散率を有し、長時間高温にさらされても、セクション
における材料の電気的特性に悪影響のないように選択さ
れる。不純物は、拡散率が亜鉛より低いものを選択す
る。
本発明は、また、透明な基板の電気光学素子を作る方
法をも目的としたものである。該素子のセクションは、
電流を光に、または、光を電流に変換する働きをする。
最初に、不透明な基板上にセクションがエピタキシャル
成長し、透明な基板が該セクションに引続き成長する。
次に不透明基板が、除去される。
とりわけ、本発明は、順次十分な厚さのエピタキシャ
ル層を形成するステップを含む、光電子素子の製造を目
的としたものである。各層のエピタキシアル成長に合わ
せて指定された１つ以上の溶融物が、オーブン内で所定
の温度まで高められる。基板は、１度に、溶融物の１つ
と接触することになり、同時に、その溶融物は、冷却さ
れて、基板上にエピタキシャル層を堆積するこるとがで
きるようになる。さらに、オーブンの温度が回復して高
温になる間に、基板と溶融物が分離される。とかくする
うちに、基板をオーブン内に収容しておくか、あるい
は、一時的に取り出しておくか、別のオーブンに送っ
て、後続の層の成長に備えることも可能である。いずれ
にしても、その後、次の層の成長に割り当てられた次の
溶融物に対し、ウェーハを接触させることになる。成長
した層に酸化し得る成分が含まれている場合には、もと
の成長に続いて、耐酸化性の、付加的で、一時的な、保
護エピタキシアル層が形成される。この保護層は、次の
層の成長に備えて行なう後続の冷却前に、温度を上昇さ
せて、溶解し、もとの溶融物に戻すことによって除去さ
れる。
［望ましい実施例の説明］ 第２図には、従来の透明基板による光電子素子が示さ
れている。例えば、基板100として、低転位密度のガリ
ウム砒素（GaAs）基板が用いられる。代替透明基板とし
て役立つアルミニウムガリウム砒素（AlGaAs）の厚い層
110が、最初に、もとの不透明基板100の上に形成され
る。光電子素子120の電気光学セクションを構成するAlG
aAsの後続層が、AlGaAs透明基板110の上に順次形成され
る。次に、もとの不透明GaAs基板100が除去されて、透
明AlGaAs基板110の上に、光電子素子120が残されること
になる。
透明基板110は、厚さが、ほぼ100ミクロンないし200
ミクロン程度である。こうした厚さの層が成長すると、
最良の成長条件下あっても、欠陥部分が混じる。従っ
て、透明基板110の上部表面に光電子素子120の成長に望
ましい表面とはほぼ遠いものが形成されるため、光電子
素子120には、やはり、多くの欠陥が含まれる。こうし
た欠陥が光電子素子120の性能を劣化させることにな
る。
第１図には、本発明による転倒型透明基板による光電
子層の概略断面図が示されている。複数の半導体層から
なる素子セクション220が、最初に、液相エピタキシャ
ル（LPE）成長のような技法によって、低転位密度の基
板200の上に形成される。その後、代替透明基板として
働く十分な厚さの半導体材料のもう１つの層210が、LPE
成長のような技法によって、素子セクション220の上に
形成される。透明基板210がLPEプロセスによって成長す
る場合、そのアルミニウムの含有量は、成長方向に減少
することになる。素子の極限性能は、素子セクション22
0がどれほどうまく形成されるかに決定的に依存してお
り、もとの低転位密度の基板200が、そのエピタキシャ
ル成長にとってほぼ理想的な基礎を形成する。不透明基
板200は、通常、不透明であるが、後で、化学エッチン
グによって除去され、透明基板210にうまく形成された
素子セクション220が残るようにできる。
望ましい実施例の場合、不透明基板200は、その上に
素子層を成長させることが可能なIII−Ｖ族またはII−V
I族の半導体材料で構成される。半導体基板は105/cm2未
満の低い転位密度が望ましい。
望ましい実施例の場合、LPEプロセスが用いられる
が、本発明は、気相エピタキー（VPE）、金属、有機化
学蒸着（MOCVD）、及び分子線エピタキシー法（MBE）と
いった他のプロセスにも等しく適用しうるものであり；
こうした変更は、本発明の技術範囲内にある。本発明に
よる光電子素子では、良好な表面に決定的な（Critica
l）素子が形成され、その結果透明基板の成長に関連し
た問題とは無関係に、一貫して良好な結晶の質が確保さ
れるという利点がある。
ただし、亜鉛のような通常のｐ型不純物の使用は、高
温におけるAlGaAs内の拡散率がかなりのものであるた
め、本発明のプロセスには望ましくない。これは、普
通、成長して素子を形成する各種層が比較的薄い通常の
用途においてはたいした問題にはならない。層が薄い
と、形成に要する時間が短くなるので、素子を高温にさ
らす総量は制限される（約数時間程度）からである。一
方、テルルのような通常のｎ型不純物の場合は、拡散率
が低く、従って、不純物導入を施した材料からあまり移
動しないので、時間を延長して高温にさらしても、問題
を生じない。
本発明によれば、最初に素子層を成長させてから、引
続き厚い基板層を成長させるという順番をとるため、素
子のｐ−ｎ接合が、長時間（20時間程度）高温にさらさ
れる。従来の亜鉛不純物を用いると、ｐ−ｎ接合が移動
し、素子が劣化したり、動作不能になったりする。その
代わり、本発明では、この条件下でほとんど拡散しない
マグネシウムを望ましいｐ型不純物として利用する。他
に可能性のある候補としては、ベリリウム、カーボン、
マンガン、シリコン、及び、ゲルマニウムがある。一般
に、マグネシウムは、酸化親和力が高いので、不純物と
して用いるには、亜鉛ほど望ましくはない。しかしなが
ら、反応器内の湿気と酸素を慎重に除去することによっ
て、この問題を軽減できる。またAlGaAsにおけるアルミ
ニウムの濃度が比較的高くなることは、実際上、LPE反
応炉内にほとんど酸素が残らないことに匹敵する。不純
物導入を施すべき層の成長時に所望の不純物を含む溶融
物を用いるだけで、不純物導入を行なうことができる。
一般に、上述の方法は、最初に、光吸収性基板に決定
的な素子を形成しておいて、透明基板が作られる状況に
適用し得るものであることを理解すべきである。こうし
た素子の例には、基板を通って、光が素子に達したり、
あるいは、素子から放出される、フォトダイオードや太
陽電池が含まれる。また、上述のAlGaAs以外に、リン化
アルミニウム・インジウム・カリウム（AlInGaP）、リ
ン化インジウム・カリウム砒素（InGaAsP）、リン化ア
ルミニウム・インジウム・ガリウム砒素（AlInGaAs
P）、リン化アルミニウム・インジウム（AlInP）、及
び、リン化インジウム・ガリウム（InGaP）といった、
その他のIII−Ｖ族合金材料も、GaAsに対し格子が整合
する透明合金を形成することができる。従って、この方
法は、GaAs基板上のAlInGaP、InGaAsP、AlInGaAsP、AlI
nP、及び、InGaPをベースにした透明基板素子の形成に
も等しく適用し得るものである。
透明基板素子でもう１つ考慮することは、素子セクシ
ョンだけでなく、透明基板の厚い層も成長させる必要が
あるという点である。一般にAlGaAsの各種層を成長させ
る一般的な方法は、冷却液相エピタキシャル成長プロセ
スである。
第3A図と第3B図には、従来の単一温度サイクルのLPE
成長プロセスについての概略が示されている。もとの基
板は、種結晶の働きをする。それは、LPE反応器内の各
種ビン310、320、330、及び340に入っている溶融物の下
に順次押しつけられるスライダー300のくぼみに収容さ
れている。従って、必要とされる組成のAlGaAsの最初の
層を成長させるためには、第１の温度312で飽和する濃
度を備えた該組成の溶融物を最初のビン310に入れる。
第２の層を成長させるためには、第２の温度322で飽和
する対応する組成の溶融物をビン320に入れる。同様
に、第３、第４及び、その他の層についても、対応する
330、340、及び、その他のビンに、332、342、及び、後
続のその他の温度で飽和する溶液が収容される。まず、
基板を位置305につけて、LPE反応炉を最高温度である、
第１の温度312まで上昇させる。次に、基板を第１のビ
ン310に押しつけ、制御下の速度で冷却させる。温度が
低下すると、基板上でのエピタキシャル成長につれて、
飽和した溶融物が減少していく。所定の厚さの層に成長
すると、温度低下は、温度322に達することになり、基
板は、次のビンに押しつけられて、次のエピタキシャル
層を成長させることになる。全ての層の成長がすむま
で、このプロセスは、各種ビンに対し継続して実施され
る。従って、反応器の温度が連続的に冷却される際、所
定の温度において、方向350に沿って、１つの溶融物の
下から次の溶融物の下へ、順次種結晶を押しつけていく
ことによって、順次層を形成することができる。
従来の単一温度サイクル・プロセスの限界は、素子全
体の合計の厚さが、既存の制約のある冷却範囲によって
制限されるということである。例えば、AlGaAs溶融物の
相特性は、900℃の高温から、溶融物がもはやたいした
量の砒素を保持てきなくなる600℃の低温までに、有効
冷却範囲を制限することになる。この冷却範囲は、普
通、既存の基板上におけるほとんどの素子構造にとって
十分である。しかしながら、１つ以上の層を極めて厚く
しなければならない場合（例えば、透明基板の成長の場
合のように、100ミクロンを超える）、これらの層のそ
れぞれについて、かなりの冷却間隔が必要になるため、
単一の連続した冷却範囲では、構造全体の成長が不充分
である。
本発明では、反復温度サイクル・プロセスを用いるこ
とによって、厚さの限界が克服される。このプロセスで
は、全ての成長層が単一の冷却範囲を分割するのではな
く、それぞれ別個の層、または、一連の層が、全冷却範
囲を利用できることになり、従って、対応する厚さを得
る能力が得られる。ある層、または、一連の層の成長が
すむと、反応器の温度が上昇して、次の層または次の一
連の層の冷却成長に対する起点として初期温度に戻る。
加熱の間隔に、成長した層を溶融物から取りはずすよう
にしなければならない。さもなければ、温度上昇時に、
該層が溶解して溶融物に戻り溶解する。本発明の一実施
例では、その上に成長した層を有する基板が、LPE反応
器内の空のビンに収容される。本発明のもう一つの実施
例では、ウェーハが反応器から完全に取り出される。
しかしながら、水蒸気及び酸素を最少限に抑えた反応
器内であっても、次の層の成長に先立つ反応器の加熱時
には、新たに成長したAlGaAs層にある程度の酸化が生じ
る。表面酸化物が形成されると、次の層の核生成が極め
て困難になる。この問題を克服するため、できれば、Ga
Asから成る、厚さ約0.5〜５ミクロンの薄い保護キャッ
プ層を新たに形成された層の上に堆積させて、酸化を防
止する。
第4A図を参照すると、本発明によるマルチビン・スラ
イダーボート構成が示されている。もとの基板は、種結
晶の働きをする。それは、LPE反応器内の各種ビン410、
414、420、及び424に入っている溶融物の下に順次押し
つけられるスライダー400のくぼみに収容されている。
望ましい実施例におけるビン構成は、単一温度サイクル
・プロセスの場合とは異なっている。単一温度サイクル
・プロセスの場合、引き続く層に対する溶融物は、隣接
したビンに収容されるが、本発明の望ましい実施例の場
合には、各層の成長に対して３つのビンが振り向けられ
る。第１のビンには、エピタキシャル層を成長させるた
めの溶融物が入っている。第２のビンには、GaAsの薄い
キャップ層を成長させるための溶融物が入っている。第
３のビンは、保持セルとして空のままになっている。従
って、必要な組成のAlGaAsからなる第１の層を成長させ
るためには、第１の温度で飽和する濃度を備えた該組成
の溶融物が、第１のビン410に収容される。ここで、さ
らに、冷却サイクルを示した第4B図を参照する。温度対
時間曲線をたどると、温度を、ポイント411からポイン
ト415まで冷却することにより、必要な厚さの第１の層
を成長させることが可能になる。ポイント415におい
て、基板400は、方向450に沿って、GaAsの入ったビン41
4に押しつけられる。温度が、さらにポイント417まで冷
却される際、第１の層の上に、0.5〜５ミクロン程度の
薄いGaAsのキャップ層が形成される。次に、基板400
は、方向450へ押されて、保持セルの働きをする空のビ
ン418に送られる。とかくするうちに、反応器は、加熱
されて、第１の温度に戻る（ポイント417からポイント4
19へ）。次に、基板は、第２の層を成長させるための溶
融物が入っている次のビン420に押しやられる。ただ
し、第２の層について冷却サイクルを繰り返す前に、Ga
Asの保護キャップを溶融して、溶融物に戻すのに十分
な、もとの第１の温度を少し超える温度421まで、反応
器の温度を上昇させる。これによって、清浄な表面に、
第２の成長を実施することが可能になる。所望の数の層
について、成長サイクルを反復することが可能である。
中間保護キャップの技法を利用した、本発明のもう１
つの実施例の場合、一連の薄い層を成長させる単一温度
サイクル技法（第3A図、第3B図）と、１つ以上の厚い層
を成長させる反復温度サイクル技法（第4A図、第4B図）
を組み合わせることによって、エピタキシャル成長が実
施される。例えば、連続して冷却を行なうことによっ
て、一連の薄い層を成長させた後、保護キャップをつ
け、前記のように処理することができる。その後、第4A
図、第4B図の反復温度サイクル技法を用いて、さらに、
厚い層を成長させる。
エピタキシャル材料の、湿気または酸素に対する親和
力が強くなければ、保護キャップをつけるステップを省
略することができる。
本発明のもう１つの実施例では、層と、薄いGaAsキャ
ップ層を成長させるから、ウェーハが反応器から除去さ
れる。ウェーハは、次の層の成長に対する準備の整った
もう１つの反応器に送られる。代替案として，もとの反
応器が再構成され、次の層の成長に対する準備が整うま
で、外部に保管される。
望ましい実施例の場合、基板が線形マルチビン構成を
順次スライドしていく反応器について説明を行なった。
本発明は、各種ビンが基板上を順次スライドしていく回
転マルチビン構成による反応器にも等しく適用可能であ
る。こうした反応器の例については、Journal of Cryst
al Growth 27（1974年）70〜85ページに記載がある。
例 第５図と第１図と組み合わせると、本発明の実施によ
る二重ヘテロ接合の赤いLEDとしての光電子素子に関す
る１例が明らかになる。まず第１図を参照すると、ｎタ
イプで、転位密度が低く、できれば厚さが150ミクロン
を超える単結晶ガリウム砒素（GaAs）200が、基板の働
きをしている。GaAs基板200は、後で除去され、電気的
機能は果たさないので、ｐ型かｎ型かを問わない。
LED素子の詳細については、第５図に示されている。
各種層は、上述の転倒方法によってエピタキシャル成長
する。GaAs基板200上に、できれば厚さが10〜30ミクロ
ンの範囲の第１のｐタイプAlGaAs層222が形成される。
第１の層222の組成は、AlxGa1-xAsであり、ここで、ｘ
は、0.40〜0.90の範囲内が望ましい。低濃度Al組成は、
冷却エピタキシャル成長法によってより厚い層を成長さ
せるのに最適である。層が厚くなると、構造的信頼性の
向上が確保され、表面接点と活性層の間の電流拡散が増
加する。
第１のｐタイプ層222の上に、できれば厚さが２〜20
ミクロンの範囲の第２のｐタイプAlGaAs層224が形成さ
れる。第２の層224の組成は、AlxGa1-xAsであり、ここ
で、ｘは、0.60〜0.90の範囲内が望ましい。この結果、
十分な閉じ込めが確保され、光出力性能に対し最適化さ
れる。
第２のAlGaAs層224の上に、第３のAlGaAsによる薄い
ｐ活性層が形成される。これは、光の発生する層であ
る。ｐ活性層226は、0.05〜５ミクロンの範囲の厚さが
望ましく、組成は、AlxGa1-xAsから成るが、ｘは、0.35
〜0.45の範囲が望ましい。従って、第１のヘテロ接合22
5は、第３のｐ活性層226と第２のＰタイプAlGaAs層224
によって形成される。
ｎタイプのアルミニウムガリウム砒素（AlGaAs）から
なる第４の層228が、第３のｐ活性層226に形成される。
第４の層228は、５〜20ミクロンの範囲の厚さが望まし
く、組成はAlxGa1-xAsから成るが、ｘは、0.6〜0.9の範
囲が望ましい。その結果、第２のヘテロ接合227が、第
４のｎタイプのAlGaAs層228と第３のｐ活性層226によっ
て形成される。
第４のｎタイプのAlGaAs層228の上には、ｎタイプのA
lGaAsからなる第５の層210が形成される。その後、吸収
GaAs基板200が除去されると、この層は、代替透明基板
としての働きをする。第５の層210は、75〜200ミクロン
の範囲の厚さが望ましく、組成は、AlxGa1-xAsでｘは、
0.5〜0.9の範囲が望ましい。考慮すべきことは、厚い透
明層の成長である。透明な基板を形成するのに必要なAl
の含有量が最低の、AlGaAsからなる組成を利用して、厚
い層の成長を促進する。
最初の４層が素子セクションを構成し、合計の厚さ
は、20〜70ミクロンの範囲になる。これらは、単一温度
サイクルで成長させることができるので、好都合であ
る。
第6A図には、素子を成長させるためのマルチビン・ス
ライダーボート構成が示されている。例えば、LPE反応
器の最初の４つのビン610、620、630、及び、640には、
それぞれ４つの層を成長させるための溶融物が含まれて
いる。第５のビン644には、GaAsキャップ層を成長させ
るための溶融物が含まれている；第６の空のビン648
は、保管領域としての働きをする。第6B図の冷却図も参
照すると、LPE反応器は、ポイント611と647で決まる温
度範囲内で連続的に冷却することができる。この範囲で
は、850℃の高温にもなる。温度の低下につれて、基板2
00が押されて順次最初の４つのビンを通過していき、素
子層を成長させる。温度がポイント645まで低下する
と、素子層を構成する最初の４つの層の成長が完了す
る。次に、温度が、さらに、ポイント647まで低下する
際、基板を第５のビンに押しやり、キャップ層を成長さ
せる。
本発明の実施例の１つでは、最後の第５の代替基板層
の成長に先立って、反応器が最初の高温にまで加熱され
る間、ウェーハは、第６の空のビン648に保管される。
反応器が、ポイント649で表示の所定の温度に達する
と、基板は、第６の空のビン648から、代替基板層を成
長させるための溶融物を含んだ第７のビン650に押しや
られる。反応器の温度は、さらに、保護GaAsキャップ層
を溶解するのに十分なポイント651まで上昇し、その
後、冷却して、比較的厚い透明基板層を成長させること
が可能になる。
本発明のもう１つの実施例では、最後の第５の代替基
板層の成長に先立って、キャップを施した層と共に、ウ
ェーハをLPE反応器から取り出して、代替基板層を成長
させるように構成されたもう１つのLPE反応器に送られ
る。基板は、高温の適合する溶融物を入れたビンに押し
込まれ、溶融物を冷却と共に、透明基板の厚い層が成長
する。
もう１度第５図を参照すると、３つのＰ型層222、22
4、及び、226は、できれば、立方センチメートル当り10
16〜1018個の範囲内で、同様の不純物原子濃度を有して
いる。マグネシウムは、ｐ型不純物として利用するのが
望ましい。
すずまたはテルルは、ｎ型不純物として用いるのが望
ましい。第４のｎ型層228は、できれば、立方センチメ
ートル当り1016の中程〜1017の中程の不純物原子濃度を
備えて、ｐ〜ｎヘテロ接合227における光出力の効率に
対し最適化されるようにする。第５のｎ型基板層210
は、立方センチメートル当り1017〜1018の不純物原子濃
度を有するのが望ましい。
結局、もとのGaAs基板200上には、第５の基板層210を
含む全ての素子層が形成され、化学エッチングによっ
て、吸光基板200が除去されると、透明基板210上にLED
素子が残されることになる。化学エッチングは、過酸化
水素と水酸化ナトリウムの組合せ、または、過酸化水素
と水酸化アンモニウムの組合せといった溶液を用いて行
なわれる。
次に、蒸着のような従来の技法によって、第１のＰ型
層222の開放表面上に、１つ以上のオーム性接点241が形
成される。望ましい実施例の場合、接点241は、アルミ
ニウムまたは金・亜鉛または金・ベソリウム合金によっ
て作られる。
また、蒸着のような従来の方法によって、ｎ型のAlGa
As基板210の残留表面にも、１つ以上のオーム接点251が
形成される。このオーム接点251は、金・ゲルマニウム
または金・スズの合金から作るのが望ましい。
本発明の転倒型基板構造の利点は、それによって、高
効率透明基板LEDが高信頼、高収量で製造できる点にあ
る。
本発明のもう１つの実施例は、転倒型透明基板が成長
する素子220に、単一ヘテロ接合を用いるものである。
さらに、第５図に示す例の場合、層222及び224はｎ型
とし、層228及び210は、その代わりにｐ型とする構造の
成長が可能になるということが分る。従って、ｎ側を上
にした構成対ｐ側を上にした構成というのは、選択の問
題であり、両方とも、本発明の範囲内にある。
本発明は、可視領域の赤のLEDを製造する用途によっ
て説明されている。しかし、AlxGa1-xAs活性層の組成に
おいて、ｘがゼロを超えるが0.35未満の場合には、前記
発明は、さらに波長がもっと長い深い赤や赤外波長のLE
Dに対してさえも、等しく適用される。これらの素子の
場合、材料の対応する禁止帯の幅は、もっと狭くなる。
従って、ｎ型及びｐ型をなす層及び透明基板層の組成
は、上述の赤のLEDに比べると、アルミニウムの濃度が
低くなる。しかしながら、それらのアルミニウム濃度
は、活性層よりは高くして、活性層から放出される放射
線を吸収しないようにする必要がある。さらにこれら波
長の長いLEDの場合、活性層をｎ型とｐ型のいずれにす
ることも可能である。
［発明の効果］ 以上詳述してように、反復温度サイクル・プロセスを
用いて製造される転倒型透明基板LEDは、数々の効果を
もたらす。
１）不透明低欠陥密度基板上に素子セクションが成長す
るので、素子セクションの欠陥が少く、光電子特性が優
れる。
２）転倒型透明基板を有しているが、十分な厚さを持つ
ので構造的に安定で、LEDの外部への透光特性も良好で
明るいLEDが得られる。
３）化学エッチング処理であり、素子への物理グラムン
ディングの影響による困難さと劣化要因がない。
４）出発不透明基板は除去されるので、その型を問わな
い。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例による転倒型基板による光電
子の概略断面図である。 第２図は従来技術の透明基板を用いた光電子素子の概略
断面図である。 第3A図と第3B図は従来技術による単一温度サイクルの多
層形成LPE成長に用いる多重スライダーボート反応器と
その冷却状況を示す図である。 第4A図と第4B図は、本発明の一実施例の反復温度サイク
ルLPE多層形成に用いる。マルチビン・スライダーボー
トの構造と温度サイクルを示す図である。 第５図は本発明の一実施例を用いて製造されるLEDの概
略断面図である。 第6A図と第6B図は、本発明の他の実施例の単一、反復複
合温度サイクルを用いるマルチビン・スライダーボート
の構造と温度サイクルを示す図である。 100、200:不透明基板（除去される） 110、210:透明基板 120:光電子素子 220:（光電子）素子セクション 222、224:p型層 226:p型活性層 228:n型層 225、227:ヘテロ接合 241、251:オーム性接合接点 300、400:ウェーハ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−154124（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−2081（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−4181（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−165688（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−15913（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−42771（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00 H01L 21/208

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】亜鉛の拡散率より低い拡散率を有する不純
    物を導入した半導体材料を有する、光と電流の相互の変
    換をおこなう素子セクションと、前記素子セクションに
    隣接し、前記光に対して実質的に透明な透明基板とを備
    えた装置であって、該装置は前記素子セクションと前記
    透明基板とを前記光に対して不透明な不透明基板に順次
    エピタキシャル成長した後該不透明基板を実質的に除去
    して得られ、前記素子セクションの転位密度が前記透明
    基板の転位密度よりも低いことを特徴とする光電子装
    置。
  2. 【請求項２】前記素子セクションが互いに隣り合う第１
    のｐタイプ層と第１のｎタイプ層とを備え、第１のｐタ
    イプ層が発光するように不純物導入されていることを特
    徴とする請求項１に記載の光電子装置。
  3. 【請求項３】前記素子セクションは第１のｐタイプ層に
    隣接した第２のｐタイプ層を備え、第１、第２のｐタイ
    プ層はヘテロ接合を形成することを特徴とする請求項１
    に記載の光電子装置。
  4. 【請求項４】前記不透明基板はGaAsからなり、前記素子
    セクションと前記透明基板とはAlGaAsから成ることを特
    徴とする請求項１に記載の光電子装置。
  5. 【請求項５】前記装置は前記不透明基板にAlGaAsを液相
    エピタキシャル成長させて形成し、Alの含有量が該成長
    につれて減少するようにしたことを特徴とする請求項１
    に記載の光電子装置。
  6. 【請求項６】前記不純物がマグネシウムである請求項１
    に記載の光電子装置。
  7. 【請求項７】前記不透明基板はGaAsからなり、前記素子
    セクションと前記透明基板とはAlInGaPから成ることを
    特徴とする請求項１に記載の光電子装置。
  8. 【請求項８】前記不透明基板の転位密度が105/cm2以下
    であることを特徴とする請求項１に記載の光電子装置。
  9. 【請求項９】光と電流の相互の変換をおこなうエピタキ
    シャル成長した活性層と、前記活性層に隣接し、該活性
    層より欠陥が多く、前記光に対して実質的に透明なエピ
    タキシャル成長した透明基板とを備えた光電子装置。
  10. 【請求項１０】前記活性層が互いに隣り合う第１のｐタ
    イプ層と第１のｎタイプ層とを備え第１のｐタイプ層が
    発光するように第１のｐタイプ層と第１のｎタイプ層の
    それぞれの禁止帯の幅が選択されていることを特徴とす
    る請求項９に記載の光電子装置。
  11. 【請求項１１】前記活性層は第１のｐタイプ層に隣接し
    た第２のｐタイプ層を備え、第１、第２のｐタイプ層は
    ヘテロ接合を形成することを特徴とする請求項10に記載
    の光電子装置。
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