JP3881470B2 - 半導体発光素子の製法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、InGaAlP系の化合物半導体材料が用いられ、表示パネルやLEDパネルなどに用いられる可視光の半導体発光素子の製法に関する。さらに詳しくは、ランプへの組立てなどの取扱時に、発光素子チップのワレやカケなどの機械的不良が発生するのを低減させることができる半導体発光素子の製法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の可視光のランプ型の半導体発光素子は、図3に示されるように、半導体発光素子チップ(以下、LEDチップという)20が、一方のリードの31の先端の凹部にマウントされ、他のリード32と金線33によりワイヤボンディングなどがなされて電気的にLEDチップ20の両電極27、28が2本のリード31、32と接続され、その周囲が透明なエポキシ樹脂などにより被覆されてパッケージ35が設けられることにより、形成されている。
【0003】
このLEDチップ20は、たとえばn形のGaAsからなる半導体基板21上に、たとえばInGaAlP系の半導体材料からなるn形およびp形のクラッド層により、クラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さくなる組成のノンドープのInGaAlP系の半導体材料からなる活性層が挟持されたダブルヘテロ接合構造の発光層形成部29が形成され、その表面にAlGaAsからなるp形の電流拡散層25が順次エピタキシャル成長されることにより形成されている。そして、その表面にp形GaAsからなるコンタクト層26を介してp側電極27、半導体基板21の裏面側にn側電極28がそれぞれAu-Ge-Ni合金などにより設けられ、ウェハからチップ化されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
従来のこの種の半導体発光素子では、前述のように半導体ウェハからチップ化してそれぞれのチップ20をリード31の先端にマウントしたり、さらに上部のp側電極27と第2のリード32との間をワイヤボンディングにより接続する作業が必要となる。そのため、チップ化の際やマウントのための取扱時、さらにはワイヤボンディング時などにLEDチップ20に部分的に力が加わり、ワレやカケが入ることが多い。このLEDチップ20自身は、0.3mm角程度の小さなものであるため、その一部にでもカケやワレなどが生じると、輝度が大幅に低下して不良になるという問題がある。
【0005】
この問題は、リードの先端にLEDチップをボンディングしてランプ型発光素子を製造する場合に限らず、基板上に直接ダイボンディングをして使用するものや、絶縁基板上にLEDチップをダイボンディングして樹脂で平面状に被覆するチップ型発光素子を形成する場合でも同様である。
【0006】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、マウントのための取扱や、ワイヤボンディング時などにLEDチップにカケやワレが入らないで、組立工程の歩留りを高くすることができる構造の半導体発光素子の製法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、LEDチップの取扱時や、ワイヤボンディング時などにLEDチップのワレやカケなどの発生による不良を減らすため、鋭意検討を重ねた結果、表面に露出する最上層の半導体層であるAlGaAs層を720℃程度の高温で成長することにより、硬度が大幅に上昇し、取扱時のワレやカケによる不良を大幅に減らすことができることを見出した。
【0008】
本発明による半導体発光素子の製法は、半導体基板上にInGaAlP系化合物半導体からなり、n形層と活性層とp形層とを前記半導体基板側からこの順で含む発光層形成部を500〜700℃で成長し、該発光層形成部上にp形のAlGaAs系化合物半導体からなる電流拡散層を、710〜720℃で、かつ、前記発光層形成部のp形層よりもp形ドーパントガスを増やしてキャリア濃度が1×10 18 〜5×10 19 cm -3 になるように形成し、該電流拡散層の表面側の一部に一方の電極を形成し、前記半導体基板の裏面側に他方の電極を形成することを特徴とする。
【0009】
ここにInGaAlP系材料とは、In0.49(Ga1-x Alx )0.51Pの形で表され、xの値が0と1との間で種々の値のときの材料を意味する。なお、Inと(Alx Ga1-x )の混晶比率の0.49および0.51はInGaAlP系材料が積層されるGaAsなどの半導体基板と格子整合される比率であることを意味する。また、AlGaAs系化合物半導体とは、AlとGaの混晶比率が種々変化し得る化合物半導体を意味する。
【0010】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の半導体発光素子の製法について説明をする。
【0011】
本発明の製法により製造される半導体発光素子は、図1にその一例のLEDチップの断面構造が示されるように、n形のGaAs基板1上にInGaAlP系化合物半導体からなり発光層を形成する発光層形成部9が堆積され、その表面にAlGaAs系化合物半導体からなるp形の電流拡散層5が設けられ、その表面の一部にp形GaAsからなるコンタクト層6を介して、p側電極7が、またGaAs基板1の裏面にn側電極8が設けられている。本発明では、AlGaAs系化合物半導体(以下、AlGaAsという)からなる電流拡散層5を、発光層形成部9の成長温度よりも高い710〜720℃で成長し、かつ、発光層形成部9のp形層よりもp形ドーパントガスを増やしてキャリア濃度が1×10 18 〜5×10 19 cm -3 になるように形成することにより、ビッカース硬さで700以上になるように硬く形成していることに特徴がある。
【0012】
電流拡散層5は、積層された半導体層の表面側の一部に設けられるp側電極7からの電流を、チップの全体に広げるために設けられているもので、キャリア濃度が1×1018〜5×1019cm-3程度で、1〜10μm程度の厚さに設けられている。このAlGaAsからなる電流拡散層5は、このように電流を拡散しやすくするため、キャリア濃度を大きく形成する必要がある。そのため、Znなどのp形ドーパントをドーピングをしやすいように従来は基板温度が650℃程度の低い温度で成長されていた。しかし、前述のように、本発明者らが鋭意検討を重ねた結果、AlGaAs層は、その成長温度により硬さが異なることを見出し、図2に示されるように、MOCVD法により成長する成長温度と硬度との関係が得られた。そして、発光層形成部9を成長する温度700℃程度より高い温度、さらに好ましくは710〜720℃程度で成長することにより、ビッカース硬さで700以上の硬度が得られ、組立時の取扱に際しても、非常にワレやカケが発生しにくい丈夫なLEDチップが得られることを見出した。
【0013】
発光層形成部9は、AlGaInP系化合物半導体からなり、キャリア濃度が1×1017〜1×1019cm-3程度で、厚さが0.1〜2μm程度のn形クラッド層2と、ノンドープでクラッド層よりバンドギャップエネルギーが小さくなる組成のInGaAlP系化合物半導体からなり、0.1〜2μm程度の厚さの活性層3と、Znがドープされてキャリア濃度が1×1016〜1×1019cm-3程度、厚さが0.1〜2μm程度で、n形クラッド層2と同じ組成のInGaAlP系化合物半導体からなるp形クラッド層4との積層構造からなっている。なお、GaAs基板1上に図示しないバッファ層を介してこれらの発光層形成部9が積層される場合もある。その場合、バッファ層は、n形のGaAsからなり、厚さが0.1〜2μm程度でキャリア濃度が1×1017〜1×1019cm-3程度に形成される。
【0014】
前述の電流拡散層5の表面の一部にp形GaAsからなるコンタクト層6を介して、Au-Ti合金、またはAu-Zn-Ni合金などからなるp側電極7が、またGaAs基板1の裏面にAu-Ge-Ni合金などからなるn側電極8が設けられている。なお、コンタクト層6は設けられない場合もある。
【0015】
本発明によるこのようなLEDチップの製法は、たとえばn形のGaAs基板1をMOCVD(有機金属化学気相成長)装置内に入れ、反応ガスのトリメチルガリウム(以下、TMGという)およびアルシン(以下、AsH3 という)、n形ドーパントガスであるH2 Seをキャリアガスの水素(H2 )と共に導入し、500〜700℃程度でエピタキシャル成長し、キャリア濃度が1×1018cm-3程度になるようにSeがドープされたn形のGaAsからなるバッファ層(図示せず)を0.1μm程度成膜する。ついで、AsH3 に代えてホスフィン(以下、PH3 という)を、さらにトリメチルアルミニウム(以下、TMAという)およびトリメチルインジウム(以下、TMInという)を導入し、n形でキャリア濃度が1×1017〜1×1019cm-3程度のたとえばIn0.49(Ga0.3 Al0.7 )0.51Pからなるn形クラッド層2を0.5μm程度、反応ガスのTMAを減らしてTMGを増やし、たとえばノンドープのIn0.49(Ga0.75Al0.25)0.51Pからなる活性層3を0.5μm程度、n形クラッド層2と同様の反応ガスで、H2 Seの代わりに、Znのドーパントガスとしてのジメチル亜鉛(DMZn)を導入してキャリア濃度が1×1016〜1×1019cm-3のIn0.49(Ga0.3 Al0.7 )0.51Pからなるp形クラッド層4を0.5μm程度、それぞれ順次エピタキシャル成長する。
【0016】
さらに、成長温度を720℃程度に上げると共に、ドーパントガスのDMZnを導入しながら、反応ガスをTMA、TMGおよびAsH3 にして、AlGaAsの成長を続け、キャリア濃度が1×1018〜5×1019cm-3程度の電流拡散層5を1〜10μm程度形成し、さらに成長温度を700℃程度にすると共に、反応ガスのTMAを止めてGaAsからなるコンタクト層6を0.2〜1μm程度成長する。この場合、電流拡散層5の成長温度が高いため、p形ドーパントが充分にドーピングされないが、p形ドーパントガスの流量を100%程度増やすことにより、前述の所望のキャリア濃度を得ることができる。
【0017】
ついで、真空蒸着装置にウェハを入れ、コンタクト層6の表面に真空蒸着などによりAu-Ti合金、またはAu-Ge-Ni合金などを成膜し、合金膜およびコンタクト層6を図1に示されるようにパターニングをしてp側電極7を形成し、GaAs基板1の裏面の全面にAu-Ge-Ni合金などを成膜してn側電極8を形成し、ダイシングしてチップ化する。
【0018】
本発明によれば、電流拡散層6とするAlGaAs層を、従来はInGaAlP系化合物半導体からなる発光層形成部9の成長温度より低い温度で成長していたものを、発光層形成部9の成長温度より高い720℃程度の温度で成長することにより、その硬度をビッカース硬さで700以上になるように形成している。LEDチップにかかる力は、その表面に主としてかかり、内部の硬さにはあまり影響を受けない。そのため、表面に露出するAlGaAs層が硬く形成されていることにより、外部からの力に対して脆さがなくなり、ウェハからのチップ化の際や、LEDチップのマウントやワイヤボンディングなどの組立時の取扱に対しても、非常に安定した構造となり、組立時にLEDチップの不良の発生率が大幅に減少する。
【0019】
なお、前述の例では、活性層3を両クラッド層2、4により挟持し、活性層3と両クラッド層2、4の材料、たとえばAlの混晶比を異ならせ、活性層にキャリアや光を閉じ込めやすくして活性層4を発光層とするダブルヘテロ接合構造であるが、活性層2を介さないでpn接合が形成され、pn接合部に発光層を形成する構造のもでもよい。
【0020】
さらに、前述の例では、半導体発光素子を構成する各半導体層として、具体的な半導体材料を用い、その厚さやキャリア濃度が特定の例で示されているが、これらの例には限定されない。
【0021】
【発明の効果】
本発明によれば、LEDチップの積層された半導体層の表面が強固になっているため、ウェハからのチップ化、ダイボンディングやそのためのハンドリング、ワイヤボンディングなどの取扱に対しても、ワレやカケが入って不良になるという組立不良を大幅に減らすことができると共に、取扱が非常に容易になり、組立工数の削減にも寄与する。その結果、半導体発光素子のコストダウンに大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の製法の一実施形態により得られるLEDチップの断面構造を示す図である。
【図2】AlGaAs層を成長するときの成長温度に対するAlGaAs層の硬度の関係を示す図である。
【図3】従来のランプ型LEDの断面構造を示す図である。
【符号の説明】
1 基板
2 n形クラッド層
3 活性層
4 p形クラッド層
5 電流拡散層
9 発光層形成部
Claims (1)
- 半導体基板上にInGaAlP系化合物半導体からなり、n形層と活性層とp形層とを前記半導体基板側からこの順で含む発光層形成部を500〜700℃で成長し、該発光層形成部上にp形のAlGaAs系化合物半導体からなる電流拡散層を、710〜720℃で、かつ、前記発光層形成部のp形層よりもp形ドーパントガスを増やしてキャリア濃度が1×10 18 〜5×10 19 cm -3 になるように形成し、該電流拡散層の表面側の一部に一方の電極を形成し、前記半導体基板の裏面側に他方の電極を形成する半導体発光素子の製法。
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