JP3693436B2 - ZnSe基板上に成長した発光素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、青色からオレンジ色にいたる発光素子等に利用される半導体発光素子に関するもので、特にZnSe基板を利用したZnSe系化合物を発光材料とした発光素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
ZnSe系発光素子は、従来GaAsやInPあるいはZnSe基板上に結晶成長をさせて作成され、その代表的な構造は図4〜図5に示すとおりである。
例えばGaAs単結晶上にZnSe系化合物半導体を用いた素子を成長させる場合、GaAsとZnSeとでは格子定数がそれぞれ5.6654Å、5.669Åと差があり、ミスフィットディスロケーションと呼ばれる欠陥が発生する。そのためZnSSe,ZnCdSeあるいはMgZnSSe等のGaAsに格子整合する化合物組成を選んで素子を構成する手法が採用されている。また基板とエピタキシャル成長部の界面にバッファ層と呼ばれる緩衝層を成長させることにより、エピタキシャル層の結晶性を向上させる工夫もなされている。高輝度化対策として、キャリアの再結合を効率よく行わせるために、活性層を単一層から複数層にした多重量子井戸を用いる手段がとられたりしている。
【0003】
一方、ZnSe基板上にZnSe系化合物半導体の発光素子を形成する場合は、GaAsやInPを基板とした時のように格子定数差や熱膨張係数差による欠陥や歪みの発生を考慮する必要がない。そのため素子の設計を単純化できる等のメリットがあり、現在ZnSe基板上にpn接合を形成した発光ダイオード(LED)の開発が進められている。
【0004】
しかしこのような従来技術にあっては次のような欠点があった。
(1)GaAs基板上にZnSe系化合物半導体を成長させると103 cm-2オーダの欠陥密度が発生する。こうした欠陥は活性層内にダークラインディフェクトと呼ばれる発光しない部分を形成し、素子の明るさを減少させることになる。またこの欠陥は時間が経過するとともに増殖してついには素子が発光しなくなるので、長期の信頼性を確保することが難しい。
(2)一方ZnSe基板は大型で良質な単結晶の製造が難しいこと、またドーピングが困難なことから低抵抗の単結晶基板の製造が困難となっている。
現在報告されている導電性ZnSe単結晶基板としては、直径2インチ、キャリア密度が1〜7×10-17 cm-3、移動度が460〜250cm/V(アルミニウムドープ)を得たとの報告があるが、実用化にはいたっていない。(参考文献:Proceedings of International Symposium of Blue Laser and LED, Chiba, Japan, 1996, p74)
【0005】
市販されているZnSe基板は、高抵抗品でサイズも最大10×10mm程度である。
図5に示すように、ZnSe基板1上にあらかじめ数μmのn型ZnSe層を成長させ、表面を低抵抗化したのちpn接合を形成して発光素子とし、p型電極は素子の上面に形成させ、n型電極は素子の一部を除去してn型低抵抗層上に形成した構造となるのである。
しかしこのような構造の発光素子では以下のような問題点がある。
(a)電流注入経路が長くなり、電極部で発熱して素子の劣化を招く。
(b)二つの電極を発光面に形成するため発光面積が減少して高発光効率が得られない。
(c)素子サイズが大きくなり低コスト化の障害となる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
高抵抗あるいは、半絶縁性ZnSe単結晶を基板としてZnSe系化合物半導体を用いた発光素子は、上記(a)(b)(c)の欠点を有している。そこでこれらの問題点を克服するために、(a)については、高抵抗あるいは半絶縁性の基板上に50μmから100μmのn型ZnSe層を成長させ、半絶縁性基板の裏面の一部を研磨およびエッチングあるいはいずれかの方法により除去し、露出された導電性ZnSe化合物半導体層を基板とすることにより、電流注入経路を短くすることで、また(b)については、半絶縁性基板を除去し、基板の裏面側に露出した導電性ZnSe化合物半導体層に電極を形成することにより、素子の発光面積を広く確保することにより高輝度化を達成できる。(c)については、電極を上下に配置することにより、素子構造を単純化することで、導電性基板を使用した場合と同様に素子サイズを小さくすることができる。
【0007】
【課題を解決するための手段】
高抵抗または半絶縁性のZnSe単結晶基板上にZnSe系化合物半導体を用いて発光素子を作製する場合、スライドボート型結晶成長装置を使用して、単結晶基板上に薄膜を液相成長させた後引き続き連続的にZn融液中で熱処理を行う方法により、あらかじめn型ZnSe層を成長させ、その上部にpn接合を形成して発光素子を形成する。そして絶縁性基板の裏面の一部を研磨およびエッチング、あるいはそのいずれかの方法を用いて除去し、露出された導電性ZnSe化合物半導体層に電極を形成することにより、導電性基板を使用した場合と同様な素子作製を可能にするものである。
すなわち、本発明のZnSe系化合物半導体素子は、絶縁性ZnSe単結晶基板上にn型ZnSe厚膜層を成長した上にpn接合を形成し、発光素子を作成し、その後基板の裏面を除去し、基板底部にZnSe素子層を露出させ、この露出部と上部のZnSe層に正負の電極を形成することを特徴とする。
【0008】
すなわち、本発明は第1に、ZnSe単結晶基板上に液相エピタキシャル法によりn型ZnSe層を積層し、その上に分子線エピタキシャル法によりpn接合を有する発光素子を形成し、積層された面と対向する基板面を研磨およびエッチング、またはこれらのいずれかの方法を用いて除去し、露出された前記ZnSe層にn電極が形成されてなることを特徴とするZnSe系化合物半導体素子:第2に、ZnSe単結晶基板上に液相エピタキシャル法によりn型ZnSe層を積層し、その上に分子線エピタキシャル法によりpn接合を有する発光素子を形成し、積層された面と対向する基板面を研磨およびエッチング、またはこれらのいずれかの方法を用いて除去し、露出された前記ZnSe層にn電極、前記素子上部のp層にp電極が形成されてなることを特徴とするZnSe系化合物半導体素子:第3に、前記ZnSe単結晶基板が高抵抗のZnSe単結晶基板である第1または2に記載のZnSe系化合物半導体素子:第4に、前記ZnSe単結晶基板が半絶縁性のZnSe単結晶基板である第1または2に記載のZnSe系化合物半導体素子:第5に、前記n型ZnSe層がIII族元素またはIII族元素とII族元素との混合溶媒を用いて液相エピタキシャル成長させた低抵抗ZnSeエピタキシャル層である第1〜4のいずれかに記載のZnSe系化合物半導体素子:第6に、前記III族元素がInもしくはGaまたはGaInである第5記載のZnSe系化合物半導体素子:第7に、前記III族元素およびII族元素の混合溶媒がIn−Zn系またはGa−Zn系溶媒である第5記載のZnSe系化合物半導体素子:第8に、ZnSe単結晶基板上に液相エピタキシャル法によりn型ZnSe層を積層し、その上に分子線エピタキシャル法によりpn接合を有する発光素子を形成する工程と、該積層された面と対向する基板面を研磨およびエッチング、またはこれらのいずれかの方法を用いて除去する工程と、該除去により露出された前記ZnSe層にn電極を形成する工程とからなるZnSe系化合物半導体素子の製造方法:第9に、ZnSe単結晶基板上に液相エピタキシャル法によりn型ZnSe層を積層し、その上に分子線エピタキシャル法によりpn接合を有する発光素子を形成する工程と、該積層された面と対向する基板面を研磨およびエッチング、またはこれらのいずれかの方法を用いて除去する工程と、該除去により露出された前記ZnSe層にn電極、前記素子上部のp層にp電極を形成する工程とからなるZnSe系化合物半導体素子の製造方法:第10に、前記ZnSe単結晶基板が高抵抗のZnSe単結晶基板である第8または9に記載のZnSe系化合物半導体素子の製造方法:第11に、前記ZnSe単結晶基板が半絶縁性のZnSe単結晶基板である第8または9に記載のZnSe系化合物半導体素子の製造方法:第12に、前記n型ZnSe層がIII族元素またはIII族元素とII族元素との混合溶媒を用いて液相エピタキシャル成長させた低抵抗ZnSeエピタキシャル層である第8〜11のいずれかに記載のZnSe系化合物半導体素子の製造方法:第13に、前記III族元素がInもしくはGaまたはGaInである第12記載のZnSe系化合物半導体素子の製造方法:第14に、前記III族元素およびII族元素の混合溶媒がIn−Zn系またはGa−Zn系溶媒である第12記載のZnSe系化合物半導体素子の製造方法を提供するものである。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1〜図3は本発明の発光基板の断面構造を示す。
絶縁性ZnSe基板1は、III 族元素を溶媒とした液相エピタキシャル法により不純物濃度1018cm-3以上のn型ZnSe厚膜エピタキシャル層を50μm以上成長させて形成される。この基板を溶融亜鉛中にて850℃以上の温度で90時間以上熱処理を行い、キャリアの活性化率を向上させキャリア密度1018cm-3以上のn型ZnSe厚膜エピタキシャル層とする。これをメカノケミカルエッチングにより平坦性が±20μmとなるように加工したのち、分子線エピタキシャル法によりZnSe系化合物半導体を用いてpn接合を形成する。
【0010】
次に基板1の裏面に研磨および/またはエッチングを行って素子底部を除去し、ZnSe層を露出させる。この露出部と上部ZnSe層に正負の電極9、8を形成し発光素子とする。
すなわちこの発明のZnSe系発光素子は絶縁性ZnSe基板1を除去することにより導電性基板と同様に基板側から電極を取り出すことを可能とし、これにより素子劣化の原因となる電極部分での発熱を減少させることにより、発光素子の信頼性を高める方法を提供するものである。
【0011】
【実施例1】
図1は実施例1において行った素子の作成手順を素子の断面図で示したものである。以下この図を用いて実施例を説明する。
基板としては面方位(100)の絶縁性ZnSe基板1を使用した。この基板上に、スライドボート型結晶成長装置を使用して、単結晶基板上に薄膜を液相成長させた後引き続き連続的にZn融液中で熱処理を行う方法により、膜厚約100μmのn型ZnSe膜2をエピタキシャル成長させた。すなわちIII 族元素とII族元素の混合融液体であるIn−10原子%Znを溶媒としてn型ZnSe層を成長させ、その後溶融亜鉛中にて900℃で120時間熱処理を行い、直径2インチのn型ZnSe単結晶エピタキシャル基板を作製した。得られた基板の室温における電気特性は、キャリア密度2×1018cm-3、移動度280cm2 /Vであった。次にこの基板をブロムメタノール溶液を用いてメカノケミカル研磨を行い、基板内での平坦性が±20μm以内になるように加工した。加工により生じた変質層はKMnO4 −H2 SO4 (KMnO4 :0.1g、H2 SO4 :10ml、H2 O:40ml)により室温にて20分間エッチングすることにより除去した。このときのエッチングレートは、0.11μm/分であった。エッチング後の基板は成長直前までイソプロピルアルコール中に保管した。
【0012】
素子の作製は分子線エピタキシ法により行った。以下にその詳細を説明する。
基板は約100℃にて3時間のベーキングを行った後、10-10 Torrに真空排気された成長室に導入した。基板の酸化膜の除去は200℃から420℃まで昇温しながら水素プラズマ(RF電力:350W、H2 :0.042SCCM.、He:0.13〜0.2SCCM.)を照射して行い、RHEEDがストリーク(直線状に明るくなる状態)になるまで行った。
酸化膜除去後の基板には、成長温度の280℃まで降温後2分間Zn照射を行った後、n型Mg0.1Zn0.9S0.15Se0.85(塩素ドープ)3を約0.4μm成長させた。活性層4としては、ZnSeとMg0.1Zn0.9Se0.85を交互に6層成長させ、成長膜厚をそれぞれ6.5nmおよび8.5nmとした。さらにp型クラッド層5としてMg0.1Zn0.9S0.15Se0.85(窒素ドープ)を約1.0μm成長させた。バッファー層として、p型ZnSeを0.1μm成長させ、コンタクト層としてZnSe、ZnTeの擬傾斜組成層6を52nm成長させて膜厚50nmのZnTe膜7でキャップした。
成長が終了した基板は、成長面を定盤に固定し、メカノケミカル研磨を用いて厚さ約300μmに加工した。
【0013】
次に、基板にはダイシングソーを用いて液相エピタキシ層まで切り込みを入れた。
基板下部のn層にはn電極8としてTi/Pt/Auを各々0.3μm、0.1μm、0.3μmの膜厚で、そして素子上部のp層にはp電極9としてPd/Pt/Auを各々0.1μm、0.1μm、0.3μmの膜厚で、電子線蒸着により成膜して発光素子を形成した。得られた素子の断面図を図3に示す。
得られた素子の特性を表1に示す。表1にはTLM法により算出したn電極のコンタクト値も併記した。なお基板のすべてを研磨およびエッチングにより除去した場合においても、実施例と同様の結果を得た。
【0014】
【比較例】
図4〜5は比較例の作成手順を素子断面で示したものである。以下この断面図を用いて比較例を説明する。
基板としては、面方位(100)の絶縁性ZnSe基板1を使用した。基板の前処理は実施例1と同じ方法で行った。
基板は、約100℃にて3時間のベーキングを行った後、10-10 Torrに真空排気された成長室に導入した。基板の酸化膜の除去は、200℃から420℃まで昇温しながら水素プラズマ(RF電力:350W、H2 :0.042SCCM.、He:0.13〜0.2SCCM.)を照射して行い、RHEEDがストリーク(直線状に明るくなる状態)になるまで行った。
酸化膜除去後の基板には、成長温度である280℃まで降温後2分間Zn照射を行った後、n型Mg0.1Zn0.9S0.15Se0.85(塩素ドープ)3を約3μm成長させた。活性層4としては、ZnSeとMg0.1Zn0.9Se0.85を交互に6層成長させ、成長膜厚をそれぞれ6.5nmおよび8.5nmとした。さらにp型クラッド層5としてMg0.1Zn0.9S0.15Se0.85(窒素ドープ)を約1.0μm成長させた。バッファー層として、p型ZnSeを0.1μm成長させ、コンタクト層としてZnSe、ZnTeの擬傾斜組成層6を52nm成長させて、膜厚50nmのZnTe膜7でキャップした。
【0015】
次にレジストにより成長面の一部に150μm×150μmのドットを形成した。これをマスクとして、スパッタ法により基板表面に約10μmのSiO2 を堆積させた。その後超音波を用いてレジストをリフトオフして、基板表面に150μmの正方形の穴あきマスクを形成した。次に、飽和ブロム水(SBW:H2 O:リン酸=2:15:1)を用い、約10分間室温にてエッチングを行い素子を除去した。この時のエッチングレートは0.16μm/分であった。次に、フッ酸によりSiO2 マスクを除去した。この基板除去部にn電極8としてTi/Pt/Auを各々0.1μm、0.1μm、0.3μm厚、そして素子上部にp電極9として、Pd/Pt/Auを各々0.1μm、0.1μm、0.3μm厚を電子線蒸着により成膜して発光素子を形成した。比較例にて作製した素子の断面図を図5に示す。
得られた素子の特性を表1に示す。またTLM法により算出したn電極のコンタクト抵抗値も併記した。
【0016】
【表1】
【0017】
【発明の効果】
絶縁性ZnSe基板を除去することにより、導電性基板の場合と同様に基板側から電極を取り出すことが可能となり、電流注入経路が短くなって、表1に示されるようにn電極のコンタクト抵抗値が従来法に比べて大幅に減少し、素子劣化の原因となる電極部分での発熱が減少し、信頼性の高い発光素子を提供することが可能になった。さらに構造上素子の発光面積を広く確保できるので素子の高輝度化を達成でき、素子構造を単純化することで、導電性基板を使用した場合と同様に素子サイズを小さくすることができた。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1における発光素子作製の最初の手順を示す、絶縁性ZnSe基板上に成長したn型ZnSeエピタキシャル層の断面図である。
【図2】実施例1における発光素子作製の中間の手順を示す、成長を完了した基板の断面図である。
【図3】実施例1において作製した発光素子の断面図である。
【図4】比較例における発光素子作製の中間の手順を示す、成長を完了した基板の断面図である。
【図5】比較例において作製した発光素子の断面図である。
【符号の説明】
1 絶縁性ZnSe基板
2 LPEn−ZnSe層
3 n−MgZnSSe
4 ZnSe/MgZnSSe MQW(活性層)
5 p−MgZnSSe(p型クラッド層)
6 p−ZnSe、p−ZnTe擬傾斜組成層
7 p−ZnTe
8 n電極
9 p電極
Claims (14)
- ZnSe単結晶基板上に液相エピタキシャル法によりn型ZnSe層を積層し、その上に分子線エピタキシャル法によりpn接合を有する発光素子を形成し、積層された面と対向する基板面を研磨およびエッチング、またはこれらのいずれかの方法を用いて除去し、露出された前記ZnSe層にn電極が形成されてなることを特徴とするZnSe系化合物半導体素子。
- ZnSe単結晶基板上に液相エピタキシャル法によりn型ZnSe層を積層し、その上に分子線エピタキシャル法によりpn接合を有する発光素子を形成し、積層された面と対向する基板面を研磨およびエッチング、またはこれらのいずれかの方法を用いて除去し、露出された前記ZnSe層にn電極、前記素子上部のp層にp電極が形成されてなることを特徴とするZnSe系化合物半導体素子。
- 前記ZnSe単結晶基板が高抵抗のZnSe単結晶基板である請求項1または2に記載のZnSe系化合物半導体素子。
- 前記ZnSe単結晶基板が半絶縁性のZnSe単結晶基板である請求項1または2に記載のZnSe系化合物半導体素子。
- 前記n型ZnSe層がIII族元素またはIII族元素とII族元素との混合溶媒を用いて液相エピタキシャル成長させた低抵抗ZnSeエピタキシャル層である請求項1〜4のいずれかに記載のZnSe系化合物半導体素子。
- 前記III族元素がInもしくはGaまたはGaInである請求項5記載のZnSe系化合物半導体素子。
- 前記III族元素およびII族元素の混合溶媒がIn−Zn系またはGa−Zn系溶媒である請求項5記載のZnSe系化合物半導体素子。
- ZnSe単結晶基板上に液相エピタキシャル法によりn型ZnSe層を積層し、その上に分子線エピタキシャル法によりpn接合を有する発光素子を形成する工程と、該積層された面と対向する基板面を研磨およびエッチング、またはこれらのいずれかの方法を用いて除去する工程と、該除去により露出された前記ZnSe層にn電極を形成する工程とからなるZnSe系化合物半導体素子の製造方法。
- ZnSe単結晶基板上に液相エピタキシャル法によりn型ZnSe層を積層し、その上に分子線エピタキシャル法によりpn接合を有する発光素子を形成する工程と、該積層された面と対向する基板面を研磨およびエッチング、またはこれらのいずれかの方法を用いて除去する工程と、該除去により露出された前記ZnSe層にn電極、前記素子上部のp層にp電極を形成する工程とからなるZnSe系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記ZnSe単結晶基板が高抵抗のZnSe単結晶基板である請求項8または9に記載のZnSe系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記ZnSe単結晶基板が半絶縁性のZnSe単結晶基板である請求項8または9に記載のZnSe系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記n型ZnSe層がIII族元素またはIII族元素とII族元素との混合溶媒を用いて液相エピタキシャル成長させた低抵抗ZnSeエピタキシャル層である請求項8〜11のいずれかに記載のZnSe系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記III族元素がInもしくはGaまたはGaInである請求項12記載のZnSe系化合物半導体素子の製造方法。
- 前記III族元素およびII族元素の混合溶媒がIn−Zn系またはGa−Zn系溶媒である請求項12記載のZnSe系化合物半導体素子の製造方法。
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