JP4587605B2 - 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法及び発光ダイオードの製造方法 - Google Patents
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法及び発光ダイオードの製造方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザダイオード等に用いられるものであり、一般式ＩｎX ＡｌY Ｇａ1-X-Y （０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、０≦Ｘ＋Ｙ＜１）で表される窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体層を備えるＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法、及び該ＧａＮ系化合物半導体発光素子を用いるＬＥＤの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系化合物半導体は、従来、困難であった青色発光を実現したＬＥＤ（ランプ）の材料である。ＧａＮ系化合物半導体は、以前格子整合する基板がなく、熱膨張係数の違いから良質な結晶を得ることが困難であったが、低温成長バッファ層形成の技術等が開発され、格子整合していない基板にも良好なＧａＮ系化合物半導体層が形成されるようになった。ＧａＮ系化合物半導体層を形成する基板としては、主にサファイア基板が用いられている。各基板メーカーから購入したサファイア基板は、未処理の状態で結晶を成長させるか、又は前処理として酸、アルカリ、有機溶剤及び純水等で洗浄するのが一般的である。洗浄したサファイア基板は、結晶成長に先立って減圧ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置に投入し、水素雰囲気で１０００℃以上に加熱するサーマルクリーニングを実施する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、各メーカーから購入したサファイア基板に従来の前処理を行った後、ＧａＮ系化合物半導体層を形成し、電極作成工程、チップ分離工程を経てＬＥＤを作製した場合、ピーク波長に２０ｎｍ程度のバラツキが見られるという問題があった。また、これらの前面出射光量は３〜４．５ｍＷ、場合によっては１〜３ｍＷであり、量的に不十分であるとともに、メーカー毎、同一のメーカーでも製造ロット毎に、バラツキが見られるという問題があった。そして、減圧ＭＯＣＶＤ装置の条件設定もＧａＮ系化合物半導体ウエハの作成毎に変更しなければならなかった。
【０００４】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、サファイア基板上に形成されたＧａＮ系化合物半導体膜をドライエッチングにより除去した後、再度、ＧａＮ系化合物半導体膜を形成する過程を含むことにより、これを用いてＬＥＤ及びレーザダイオード等を作製する場合に、サファイア基板の表面性状の個体差に関わらず、再現性良く、ピーク波長及び出射光量等の特性が均一化され、発光効率が良好であるＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
また、本発明は、最初の成膜過程でＧａＮ系化合物半導体膜を１００ｎｍ以上成膜することにより、これを用いてＬＥＤ等を作製する場合に、さらに再現性良く、特性が均一化され、発光効率が良好であるＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
そして、本発明は、除膜過程において、塩素系ガス及び／又は臭素系ガスを用いることにより、これを用いてＬＥＤ等を作製する場合に、さらに再現性良く、ピーク波長及び出射光量等の特性が均一化され、発光効率が良好であるＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は、除膜過程の後に、有機洗浄及び／又は水洗を行う洗浄過程を含むことにより、これを用いてＬＥＤ等を作製する場合に、さらに再現性良く、特性が均一化され、発光効率が良好であるＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
さらに、本発明は、上述のいずれかの製造方法により製造されたＧａＮ系化合物半導体発光素子をリードフレームに配する過程を含むことにより、特性が均一化し、発光効率が良好であり、量産効率が良好であるＬＥＤの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体膜を形成する過程を含む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、１又は複数の窒化ガリウム系化合物半導体膜を形成する第１成膜過程と、該第１成膜過程により形成された窒化ガリウム系化合物半導体膜をドライエッチングにより除去する除膜過程と、該除膜過程により窒化ガリウム系化合物半導体膜が除去された前記サファイア基板上に、再度、窒化ガリウム系化合物半導体膜を形成する第２成膜過程とを含むことを特徴とする。
【００１０】
第１発明の第１成膜過程及び除膜過程を含む製造方法により製造したＧａＮ化合物半導体発光素子を用いて、ＬＥＤ及びレーザダイオード等を作製した場合、サファイア基板の表面性状の個体差に関わらず、再現性良く、ピーク波長及び出射光量等の特性が均一化され、発光効率が良好であることが確認されている。
【００１１】
これは、第１成膜過程及び除膜過程を実施した場合、サファイア基板表面に微小の凹凸ができるか、又はサファイア基板の表面に残存するＧａＮ系化合物半導体が核となることによって、第２成膜過程におけるＧａＮ系化合物半導体膜の結晶構造が、得られる発光素子をＬＥＤ等に用いるときの特性の均一化及び発光効率に良好な影響を及ぼすものに変化したためと考えられる。
ＧａＮ系以外の化合物半導体電子デバイスにおいては、不純物等が可及的に除去された、平坦性が良好である基板を用いた場合、良好な製品を得ることができると言われているが、ＧａＮ系化合物半導体発光素子の場合、基板のサーマルクリーニング、及び基板上に５００℃前後で成長させる低温成長バッファ層の解析が現在、盛んに研究がなされている状態であり、基板とＧａＮ系化合物半導体の結晶性との関係は解明されていない状態である。
【００１２】
第２発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、第１発明において、前記第１成膜過程で前記窒化ガリウム系化合物半導体膜を１００ｎｍ以上の厚さで成膜することを特徴とする。
第２発明の製造方法により製造したＧａＮ化合物発光素子を用いて、ＬＥＤランプ等を作製した場合、さらに特性が均一化し、発光効率が良好であることが確認されている。
【００１３】
第３発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、第１又は第２発明において、前記除膜過程が、塩素系ガス及び／又は臭素系ガスを用いることを特徴とする。
第４発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、第１乃至第３発明のいずれかにおいて、前記除膜過程の後に、有機洗浄及び／又は水洗を行う洗浄過程を含むことを特徴とする。
【００１４】
第３及び第４発明の製造方法により製造したＧａＮ化合物発光素子を用いて、ＬＥＤランプ等を作製した場合、さらに特性が均一化し、発光効率が良好であることが確認されている。
【００１５】
第５発明の発光ダイオードの製造方法は、第１乃至第４発明のいずれかの製造方法により製造された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子をリードフレームに配する過程を含むことを特徴とする。
第５発明の製造方法により製造されたＬＥＤは、特性が均一化し、発光効率が良好であることが確認されている。従って、ＬＥＤの量産効率が良好である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るＧａＮ系化合物半導体発光素子を示す平面図、図２はそのII−II線断面図であり、図中、１はサファイアからなる基板である。
このＧａＮ系化合物半導体発光素子においては、基板１上にＡｌＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、活性層４、ｐ型ＧａＮ層５、及び電流拡散層６がこの順に積層されている。基板１上には、ＡｌＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、活性層４、ｐ型ＧａＮ層５及び電流拡散層６の側面と接触しないように、ポリイミドからなる絶縁膜１２を介在させた状態で、ｐ電極７が形成されている。そして、電流拡散層６、ｐ型ＧａＮ層５、活性層４、ｎ型ＧａＮ層３及びＡｌＮバッファ層２をエッチングにより除去して得られたｎ電極形成孔８には、ｎ電極９が形成されている。
【００１７】
図３及び図４は、実施の形態１に係るＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造工程を示す断面図である。
まず、減圧ＭＯＣＶＤ装置内に、購入した基板１を配置し、水素を供給しながら基板１を１０５０℃に加温してサーマルクリーニングを施す。
次に、基板１の温度を略５００℃まで下げ、窒素及び水素をキャリアガスとしてアンモニア及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を供給し、基板１上に低温ＡｌＮバッファ層２を略２０ｎｍの厚さに成膜する。その後、基板１の温度を略１０００℃に上昇させ、前記キャリアガスを用いてアンモニア及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を流し、アンドープのＧａＮ系化合物半導体層（以下、ＧａＮ層という）１３を略１００ｎｍの厚さに成膜する（図３（ａ））。この過程が、本発明の第１成膜過程である。
【００１８】
その後、基板１の温度を略２００℃以下まで下げ、成長室からロードロック室に移した後、窒素で大気圧に戻し、減圧ＭＯＣＶＤ装置から取り出した。その後、基板１をドライエッチング装置に投入し、塩素ガスのプラズマを用いて、成膜したＧａＮ層１３及びＡｌＮバッファ層２を取り除く（図３（ｂ））。そして、基板１についてアセトン、エタノールを用いて有機洗浄を行い、水洗する。この過程が、本発明の除膜過程である。
【００１９】
基板１を再度、減圧ＭＯＣＶＤ装置に投入し、サーマルクリーニングを施す。
そして、基板１の温度を略５００℃まで下げ、前記と同様にして、基板１上に低温ＡｌＮバッファ層２を略２０ｎｍの厚さに成膜する。その後、基板１の温度を略１０００℃に上昇させ、前記キャリアガスを用いてアンモニア及びＴＭＧを流す。このとき同時にｎ型ドーパントとしてのＳｉを用い、ｎ型ＧａＮ層３を略１．２μｍの厚さに成長させる（図３（ｃ））。この過程が、本発明の第２成膜過程である。
【００２０】
次に、トリメチルインジウムを断続的に流しつつ、ｎ型ＧａＮとｎ型ＩｎＧａＮとのＭＱＷ（多重量子井戸）からなる活性層４をｎ型ＧａＮ層３の上に略４０ｎｍの厚さに成膜する。
さらに、活性層４上に、ＭｇをドーパントとしてＭｇドープＡｌＮからなるキャップ層、ＭｇドープＡｌＧａＩｎＮ層及びＧａＩｎＮ層を順次成長させる。このようにして得られたＬＥＤ構造のウエハを減圧ＭＯＣＶＤ装置から取り出し、水銀灯下で紫外線を照射しながら３８０℃のホットプレートにのせ、５分間加熱し、Ｍｇの活性化（ＭｇドープＧａＮ層のｐ型化）を行う。以下、ｐ型ＡｌＮ層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層及びＧａＩｎＮ層これらを総称してｐ型ＧａＮ層５という（図３（ｄ））。
【００２１】
そして、マスク作成過程及びエッチング過程を経て、ｎ電極形成孔８を形成する（図４（ｅ））。
次に、ウエハを真空蒸着装置に入れ、電子銃を用いてＩＴＯ（ＳｎＯ2 を１０wt％含む）を蒸発させ、略１０ｎｍの厚さのＩＴＯ膜を形成し、引続きスパッタリング法により略５００ｎｍの厚さのＩＴＯ膜を形成する。このとき、リフトオフ法を用いて、パターニングを行う。リフトオフの後、３８０℃で略１分間加熱してＩＴＯ膜の透明化を行い、電流拡散層６とする（図４（ｆ））。
【００２２】
そして、絶縁膜１２の一端を基板１に固着させ、ＡｌＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、活性層４、ｐ型ＧａＮ層５及び電流拡散層６の各側面に当接させた状態で、他端を電流拡散層６上に固着させる（図４（ｇ））。
次に、基板１上に、その側部が絶縁膜１２を覆う状態でｐ電極７を形成し、ｎ電極形成孔８にｎ電極９を形成する。これらの電極は、リフトオフ法を用いた真空蒸着により、Ｔｉ１００ｎｍ、Ｐｔ２０ｎｍ、Ａｕ１μｍを蒸着させて同時に形成する（図４（ｈ））。ｎ電極９はｎ型オーミックコンタクトを兼ねている。
この後、表面にダイシングにより切り込みを入れ、裏面を研削、研磨し、さらに裏面をスクライビングした後、ウエハをチップ１個ずつに分離して、青色発光素子を完成する。
【００２３】
この青色発光素子をリードフレームにダイボンディング、ワイヤボンディングし、樹脂モールドして、直径５ｍｍの砲弾型ＬＥＤを組み立てたところ、動作電流２０ｍＡにおいて、光出力は５ｍＷ程度であった。
【００２４】
実施の形態２．
実施の形態１において説明したように基板１上にＧａＮ層１３を１００ｎｍ形成する代わりに、ＡｌＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、活性層４及びｐ型ＧａＮ層５からなる、厚さ略２μｍのＬＥＤ構造のＧａＮ層を形成した。その後は、実施の形態１と同様に、このＬＥＤ構造のＧａＮ層を除膜し、再度、成膜してＬＥＤの組み立てまでを行った。この発光素子を用いたＬＥＤの光出力は、動作電流２０ｍＡにおいて、５ｍＷであった。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明をその実施例に基づき具体的に説明する。
［実施例１］
（１）購入後、未処理の状態のサファイア基板
（２）アセトン洗浄、エタノール洗浄及び水洗を施したサファイア基板
（３）本発明に係る第１成膜過程、除膜過程並びに、アセトン洗浄、エタノール洗浄及び水洗の洗浄過程を行ったサファイア基板
の夫々を減圧ＭＯＣＶＤ装置に投入し、ＧａＮ系化合物半導体膜を同時に成長させ、電極作成過程、チップ分離過程を経て、直径５ｍｍの砲弾型ＬＥＤに組み立て、各特性を比較した。
その結果、（３）は、（１）及び（２）と比較して発光効率が向上しており、明るさが５〜２０％向上したことが確認された。
【００２６】
［実施例２］
基板メーカーＡ社、Ｂ社、Ｃ社から夫々購入し、未処理の状態のサファイア基板３枚と、これらに本発明の第１成膜過程及び除膜過程を実施したサファイア基板３枚の計６枚を減圧ＭＯＣＶＤ装置に投入し、ＧａＮ系化合物半導体膜を同時に成長させ、電極作成過程、チップ分離過程を経て、直径５ｍｍの砲弾型ＬＥＤランプに組み立て、各特性を比較した。
未処理の状態のサファイア基板にＧａＮ系化合物半導体膜を同時に成長させた場合、基板メーカーによってピーク波長に２０ｎｍ程度のバラツキが見られ、前面出射光量も２〜４ｍＷとバラツキが見られた。
これに対し、本発明の第１成膜過程及び除膜過程を実施した場合、基板メーカーが異なっても略等しい特性が得られた。そして、３枚とも前面出射光量は５ｍＷであり、サファイア基板に前処理を行わなかった場合と比較して、発光効率が向上していた。そして、減圧ＭＯＣＶＤ装置の設定条件もサファイア基板のメーカーによって変更する必要がなかった。
【００２７】
上述の実施例１及び２より、本発明の第１成膜過程及び除膜過程を実施することにより、サファイア基板の表面性状の個体差に関わらず、再現性良く、等しい特性のＬＥＤが得られ、発光効率が向上したことが判る。
【００２８】
［比較例］
前記３社のメーカーにより製造された３枚のサファイア基板に、ＧａＮ層を形成せず、ドライエッチングのみを実施した後、ＧａＮ系化合物半導体膜を同時に成長させ、ＬＥＤを組み立てたところ、未処理のサファイア基板を用いた場合と同様に、特性にバラツキが見られ、発光効率も向上していないことが確認された。
従って、サファイア基板の前処理として、ドライエッチングのみでは効果がなく、一度ＧａＮ層を形成した後、これをドライエッチングにより除去する必要があることが判った。
【００２９】
本発明の第１成膜過程及び除膜過程の実施の前後のサファイア基板を、光学顕微鏡により観察したところ、サファイア基板の表面状態にはほとんど差異が見られなかった。サファイア基板は、エッチングレートがＧａＮ系化合物半導体と比較して非常に遅いので、ほとんどエッチングされない。
【００３０】
以上のように、本発明の第１成膜過程及び除膜過程を含む製造方法により製造したＧａＮ化合物半導体発光素子を用いて、ＬＥＤを作製した場合、基板の製造ロット及び製造メーカーに関わらず、再現性良く、ピーク波長及び出射光量等の特性が均一化され、発光効率が良好であることが判った。
【００３１】
また、実施の形態２において説明したように、ＬＥＤ構造のＧａＮ系化合物半導体層を形成した後に除膜し、再度ＬＥＤ構造のＧａＮ系化合物半導体層を形成し、ＬＥＤを作製した場合も、ＧａＮ系化合物半導体層を１層形成した後に除膜し、ＬＥＤ構造のＧａＮ系化合物半導体層を形成してＬＥＤを作製した場合と同様に、基板の個体差に関わらず、再現性良く、ピーク波長及び出射光量等の特性が均一化され、発光効率が良好であることが判った。
【００３２】
従って、一度使用したウエハでもＧａＮ系化合物半導体層を除膜することで、再使用することができ、また、ＧａＮ系化合物半導体層の形成後に不良品と判断されたウエハを再使用することができるので、本発明のＧａＮ系化合物半導体層の製造方法には、廃棄損の低減によるコスト的なメリット、及び産業廃棄物の減少という環境面でのメリットがある。また、均一な特性のＬＥＤが得られるので、ＬＥＤの量産に非常に大きな効果を及ぼす。
【００３３】
なお、前記実施の形態においては、本発明の製造方法により製造されたＧａＮ系化合物半導体素子を用いてＬＥＤを製造した場合につき説明しているがこれに限定されるものではなく、前記ＧａＮ系化合物半導体素子を用いてレーザダイオードを製造してもよい。この場合もレーザダイオードの特性が均一化され、発光効率が良好である。
【００３４】
また、前記実施の形態においては、ＧａＮ系化合物半導体層を１００ｎｍ以上の厚さに形成した場合につき説明しているがこれに限定されるものではない。但し、１００ｎｍ以上の厚さに形成した方が、得られたＧａＮ化合物発光素子を用いてＬＥＤ等を作製したときの特性の均一化及び発光効率が良好である。
【００３５】
そして、前記実施の形態においては、除膜過程で塩素ガスを用いた場合につき説明しているがこれに限定されるものではなく、臭素系ガス等の他のガス、又は塩素系ガスとの混合物を用いてもよい。但し、塩素系ガス及び／又は臭素系ガスを用いた方が、得られたＧａＮ化合物発光素子を用いてＬＥＤ等を作製したときの特性の均一化及び発光効率が良好である。
【００３６】
さらに、前記実施の形態においては、除膜過程の後に、有機洗浄及び／又は水洗を行う洗浄過程を含むがこれに限定されるものではない。但し、前記洗浄過程を含む方が、得られたＧａＮ化合物発光素子を用いてＬＥＤ等を作製したときの特性の均一化及び発光効率が良好である。
【００３７】
【発明の効果】
以上、詳述したように、第１発明の第１成膜過程及び除膜過程を含む製造方法により製造したＧａＮ化合物半導体発光素子を用いて、ＬＥＤ及びレーザダイオード等を作製した場合、サファイア基板の表面性状の個体差に関わらず、再現性良く、ピーク波長及び出射光量等の特性が均一化され、発光効率が良好である。
【００３８】
第２発明による場合は、第１成膜過程でＧａＮ系化合物半導体膜を１００ｎｍ以上の厚さに成膜するので、得られたＧａＮ化合物発光素子を用いてＬＥＤ等を作製した場合、さらに特性が均一化し、発光効率が良好である。
【００３９】
第３発明による場合は、除膜過程で、塩素系ガス及び／又は臭素系ガスを用いるので、得られたＧａＮ化合物発光素子を用いてＬＥＤ等を作製した場合、さらに特性が均一化し、発光効率が良好である。
第４発明による場合は、除膜過程の後に、有機洗浄及び／又は水洗を行う洗浄過程を含むので、得られたＧａＮ化合物発光素子を用いてＬＥＤ等を作製した場合、さらに特性が均一化し、発光効率が良好である。
【００４０】
第５発明の製造方法により製造されたＬＥＤは、特性が均一化し、発光効率が良好であり、量産効率が良好である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るＧａＮ系化合物半導体発光素子を示す平面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ ＡｌＮバッファ層
３ ｎ型ＧａＮ層
４ 活性層
５ ｐ型ＧａＮ層
６ 電流拡散層
７ ｐ電極
９ ｎ電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）及びレーザダイオード等に用いられるものであり、一般式ＩｎX ＡｌY Ｇａ1-X-Y （０≦Ｘ＜１、０≦Ｙ＜１、０≦Ｘ＋Ｙ＜１）で表される窒化ガリウム（ＧａＮ）系化合物半導体層を備えるＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法、及び該ＧａＮ系化合物半導体発光素子を用いるＬＥＤの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ系化合物半導体は、従来、困難であった青色発光を実現したＬＥＤ（ランプ）の材料である。ＧａＮ系化合物半導体は、以前格子整合する基板がなく、熱膨張係数の違いから良質な結晶を得ることが困難であったが、低温成長バッファ層形成の技術等が開発され、格子整合していない基板にも良好なＧａＮ系化合物半導体層が形成されるようになった。ＧａＮ系化合物半導体層を形成する基板としては、主にサファイア基板が用いられている。各基板メーカーから購入したサファイア基板は、未処理の状態で結晶を成長させるか、又は前処理として酸、アルカリ、有機溶剤及び純水等で洗浄するのが一般的である。洗浄したサファイア基板は、結晶成長に先立って減圧ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）装置に投入し、水素雰囲気で１０００℃以上に加熱するサーマルクリーニングを実施する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、各メーカーから購入したサファイア基板に従来の前処理を行った後、ＧａＮ系化合物半導体層を形成し、電極作成工程、チップ分離工程を経てＬＥＤを作製した場合、ピーク波長に２０ｎｍ程度のバラツキが見られるという問題があった。また、これらの前面出射光量は３〜４．５ｍＷ、場合によっては１〜３ｍＷであり、量的に不十分であるとともに、メーカー毎、同一のメーカーでも製造ロット毎に、バラツキが見られるという問題があった。そして、減圧ＭＯＣＶＤ装置の条件設定もＧａＮ系化合物半導体ウエハの作成毎に変更しなければならなかった。
【０００４】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、サファイア基板上に形成されたＧａＮ系化合物半導体膜をドライエッチングにより除去した後、再度、ＧａＮ系化合物半導体膜を形成する過程を含むことにより、これを用いてＬＥＤ及びレーザダイオード等を作製する場合に、サファイア基板の表面性状の個体差に関わらず、再現性良く、ピーク波長及び出射光量等の特性が均一化され、発光効率が良好であるＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００５】
また、本発明は、最初の成膜過程でＧａＮ系化合物半導体膜を１００ｎｍ以上成膜することにより、これを用いてＬＥＤ等を作製する場合に、さらに再現性良く、特性が均一化され、発光効率が良好であるＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
そして、本発明は、除膜過程において、塩素系ガス及び／又は臭素系ガスを用いることにより、これを用いてＬＥＤ等を作製する場合に、さらに再現性良く、ピーク波長及び出射光量等の特性が均一化され、発光効率が良好であるＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は、除膜過程の後に、有機洗浄及び／又は水洗を行う洗浄過程を含むことにより、これを用いてＬＥＤ等を作製する場合に、さらに再現性良く、特性が均一化され、発光効率が良好であるＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
さらに、本発明は、上述のいずれかの製造方法により製造されたＧａＮ系化合物半導体発光素子をリードフレームに配する過程を含むことにより、特性が均一化し、発光効率が良好であり、量産効率が良好であるＬＥＤの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第１発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体膜を形成する過程を含む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、１又は複数の窒化ガリウム系化合物半導体膜を形成する第１成膜過程と、該第１成膜過程により形成された窒化ガリウム系化合物半導体膜をドライエッチングにより除去する除膜過程と、該除膜過程により窒化ガリウム系化合物半導体膜が除去された前記サファイア基板上に、再度、窒化ガリウム系化合物半導体膜を形成する第２成膜過程とを含むことを特徴とする。
【００１０】
第１発明の第１成膜過程及び除膜過程を含む製造方法により製造したＧａＮ化合物半導体発光素子を用いて、ＬＥＤ及びレーザダイオード等を作製した場合、サファイア基板の表面性状の個体差に関わらず、再現性良く、ピーク波長及び出射光量等の特性が均一化され、発光効率が良好であることが確認されている。
【００１１】
これは、第１成膜過程及び除膜過程を実施した場合、サファイア基板表面に微小の凹凸ができるか、又はサファイア基板の表面に残存するＧａＮ系化合物半導体が核となることによって、第２成膜過程におけるＧａＮ系化合物半導体膜の結晶構造が、得られる発光素子をＬＥＤ等に用いるときの特性の均一化及び発光効率に良好な影響を及ぼすものに変化したためと考えられる。
ＧａＮ系以外の化合物半導体電子デバイスにおいては、不純物等が可及的に除去された、平坦性が良好である基板を用いた場合、良好な製品を得ることができると言われているが、ＧａＮ系化合物半導体発光素子の場合、基板のサーマルクリーニング、及び基板上に５００℃前後で成長させる低温成長バッファ層の解析が現在、盛んに研究がなされている状態であり、基板とＧａＮ系化合物半導体の結晶性との関係は解明されていない状態である。
【００１２】
第２発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、第１発明において、前記第１成膜過程で前記窒化ガリウム系化合物半導体膜を１００ｎｍ以上の厚さで成膜することを特徴とする。
第２発明の製造方法により製造したＧａＮ化合物発光素子を用いて、ＬＥＤランプ等を作製した場合、さらに特性が均一化し、発光効率が良好であることが確認されている。
【００１３】
第３発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、第１又は第２発明において、前記除膜過程が、塩素系ガス及び／又は臭素系ガスを用いることを特徴とする。
第４発明の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法は、第１乃至第３発明のいずれかにおいて、前記除膜過程の後に、有機洗浄及び／又は水洗を行う洗浄過程を含むことを特徴とする。
【００１４】
第３及び第４発明の製造方法により製造したＧａＮ化合物発光素子を用いて、ＬＥＤランプ等を作製した場合、さらに特性が均一化し、発光効率が良好であることが確認されている。
【００１５】
第５発明の発光ダイオードの製造方法は、第１乃至第４発明のいずれかの製造方法により製造された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子をリードフレームに配する過程を含むことを特徴とする。
第５発明の製造方法により製造されたＬＥＤは、特性が均一化し、発光効率が良好であることが確認されている。従って、ＬＥＤの量産効率が良好である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るＧａＮ系化合物半導体発光素子を示す平面図、図２はそのII−II線断面図であり、図中、１はサファイアからなる基板である。
このＧａＮ系化合物半導体発光素子においては、基板１上にＡｌＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、活性層４、ｐ型ＧａＮ層５、及び電流拡散層６がこの順に積層されている。基板１上には、ＡｌＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、活性層４、ｐ型ＧａＮ層５及び電流拡散層６の側面と接触しないように、ポリイミドからなる絶縁膜１２を介在させた状態で、ｐ電極７が形成されている。そして、電流拡散層６、ｐ型ＧａＮ層５、活性層４、ｎ型ＧａＮ層３及びＡｌＮバッファ層２をエッチングにより除去して得られたｎ電極形成孔８には、ｎ電極９が形成されている。
【００１７】
図３及び図４は、実施の形態１に係るＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造工程を示す断面図である。
まず、減圧ＭＯＣＶＤ装置内に、購入した基板１を配置し、水素を供給しながら基板１を１０５０℃に加温してサーマルクリーニングを施す。
次に、基板１の温度を略５００℃まで下げ、窒素及び水素をキャリアガスとしてアンモニア及びトリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）を供給し、基板１上に低温ＡｌＮバッファ層２を略２０ｎｍの厚さに成膜する。その後、基板１の温度を略１０００℃に上昇させ、前記キャリアガスを用いてアンモニア及びトリメチルガリウム（ＴＭＧ）を流し、アンドープのＧａＮ系化合物半導体層（以下、ＧａＮ層という）１３を略１００ｎｍの厚さに成膜する（図３（ａ））。この過程が、本発明の第１成膜過程である。
【００１８】
その後、基板１の温度を略２００℃以下まで下げ、成長室からロードロック室に移した後、窒素で大気圧に戻し、減圧ＭＯＣＶＤ装置から取り出した。その後、基板１をドライエッチング装置に投入し、塩素ガスのプラズマを用いて、成膜したＧａＮ層１３及びＡｌＮバッファ層２を取り除く（図３（ｂ））。そして、基板１についてアセトン、エタノールを用いて有機洗浄を行い、水洗する。この過程が、本発明の除膜過程である。
【００１９】
基板１を再度、減圧ＭＯＣＶＤ装置に投入し、サーマルクリーニングを施す。
そして、基板１の温度を略５００℃まで下げ、前記と同様にして、基板１上に低温ＡｌＮバッファ層２を略２０ｎｍの厚さに成膜する。その後、基板１の温度を略１０００℃に上昇させ、前記キャリアガスを用いてアンモニア及びＴＭＧを流す。このとき同時にｎ型ドーパントとしてのＳｉを用い、ｎ型ＧａＮ層３を略１．２μｍの厚さに成長させる（図３（ｃ））。この過程が、本発明の第２成膜過程である。
【００２０】
次に、トリメチルインジウムを断続的に流しつつ、ｎ型ＧａＮとｎ型ＩｎＧａＮとのＭＱＷ（多重量子井戸）からなる活性層４をｎ型ＧａＮ層３の上に略４０ｎｍの厚さに成膜する。
さらに、活性層４上に、ＭｇをドーパントとしてＭｇドープＡｌＮからなるキャップ層、ＭｇドープＡｌＧａＩｎＮ層及びＧａＩｎＮ層を順次成長させる。このようにして得られたＬＥＤ構造のウエハを減圧ＭＯＣＶＤ装置から取り出し、水銀灯下で紫外線を照射しながら３８０℃のホットプレートにのせ、５分間加熱し、Ｍｇの活性化（ＭｇドープＧａＮ層のｐ型化）を行う。以下、ｐ型ＡｌＮ層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＮ層及びＧａＩｎＮ層これらを総称してｐ型ＧａＮ層５という（図３（ｄ））。
【００２１】
そして、マスク作成過程及びエッチング過程を経て、ｎ電極形成孔８を形成する（図４（ｅ））。
次に、ウエハを真空蒸着装置に入れ、電子銃を用いてＩＴＯ（ＳｎＯ2 を１０wt％含む）を蒸発させ、略１０ｎｍの厚さのＩＴＯ膜を形成し、引続きスパッタリング法により略５００ｎｍの厚さのＩＴＯ膜を形成する。このとき、リフトオフ法を用いて、パターニングを行う。リフトオフの後、３８０℃で略１分間加熱してＩＴＯ膜の透明化を行い、電流拡散層６とする（図４（ｆ））。
【００２２】
そして、絶縁膜１２の一端を基板１に固着させ、ＡｌＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、活性層４、ｐ型ＧａＮ層５及び電流拡散層６の各側面に当接させた状態で、他端を電流拡散層６上に固着させる（図４（ｇ））。
次に、基板１上に、その側部が絶縁膜１２を覆う状態でｐ電極７を形成し、ｎ電極形成孔８にｎ電極９を形成する。これらの電極は、リフトオフ法を用いた真空蒸着により、Ｔｉ１００ｎｍ、Ｐｔ２０ｎｍ、Ａｕ１μｍを蒸着させて同時に形成する（図４（ｈ））。ｎ電極９はｎ型オーミックコンタクトを兼ねている。
この後、表面にダイシングにより切り込みを入れ、裏面を研削、研磨し、さらに裏面をスクライビングした後、ウエハをチップ１個ずつに分離して、青色発光素子を完成する。
【００２３】
この青色発光素子をリードフレームにダイボンディング、ワイヤボンディングし、樹脂モールドして、直径５ｍｍの砲弾型ＬＥＤを組み立てたところ、動作電流２０ｍＡにおいて、光出力は５ｍＷ程度であった。
【００２４】
実施の形態２．
実施の形態１において説明したように基板１上にＧａＮ層１３を１００ｎｍ形成する代わりに、ＡｌＮバッファ層２、ｎ型ＧａＮ層３、活性層４及びｐ型ＧａＮ層５からなる、厚さ略２μｍのＬＥＤ構造のＧａＮ層を形成した。その後は、実施の形態１と同様に、このＬＥＤ構造のＧａＮ層を除膜し、再度、成膜してＬＥＤの組み立てまでを行った。この発光素子を用いたＬＥＤの光出力は、動作電流２０ｍＡにおいて、５ｍＷであった。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明をその実施例に基づき具体的に説明する。
［実施例１］
（１）購入後、未処理の状態のサファイア基板
（２）アセトン洗浄、エタノール洗浄及び水洗を施したサファイア基板
（３）本発明に係る第１成膜過程、除膜過程並びに、アセトン洗浄、エタノール洗浄及び水洗の洗浄過程を行ったサファイア基板
の夫々を減圧ＭＯＣＶＤ装置に投入し、ＧａＮ系化合物半導体膜を同時に成長させ、電極作成過程、チップ分離過程を経て、直径５ｍｍの砲弾型ＬＥＤに組み立て、各特性を比較した。
その結果、（３）は、（１）及び（２）と比較して発光効率が向上しており、明るさが５〜２０％向上したことが確認された。
【００２６】
［実施例２］
基板メーカーＡ社、Ｂ社、Ｃ社から夫々購入し、未処理の状態のサファイア基板３枚と、これらに本発明の第１成膜過程及び除膜過程を実施したサファイア基板３枚の計６枚を減圧ＭＯＣＶＤ装置に投入し、ＧａＮ系化合物半導体膜を同時に成長させ、電極作成過程、チップ分離過程を経て、直径５ｍｍの砲弾型ＬＥＤランプに組み立て、各特性を比較した。
未処理の状態のサファイア基板にＧａＮ系化合物半導体膜を同時に成長させた場合、基板メーカーによってピーク波長に２０ｎｍ程度のバラツキが見られ、前面出射光量も２〜４ｍＷとバラツキが見られた。
これに対し、本発明の第１成膜過程及び除膜過程を実施した場合、基板メーカーが異なっても略等しい特性が得られた。そして、３枚とも前面出射光量は５ｍＷであり、サファイア基板に前処理を行わなかった場合と比較して、発光効率が向上していた。そして、減圧ＭＯＣＶＤ装置の設定条件もサファイア基板のメーカーによって変更する必要がなかった。
【００２７】
上述の実施例１及び２より、本発明の第１成膜過程及び除膜過程を実施することにより、サファイア基板の表面性状の個体差に関わらず、再現性良く、等しい特性のＬＥＤが得られ、発光効率が向上したことが判る。
【００２８】
［比較例］
前記３社のメーカーにより製造された３枚のサファイア基板に、ＧａＮ層を形成せず、ドライエッチングのみを実施した後、ＧａＮ系化合物半導体膜を同時に成長させ、ＬＥＤを組み立てたところ、未処理のサファイア基板を用いた場合と同様に、特性にバラツキが見られ、発光効率も向上していないことが確認された。
従って、サファイア基板の前処理として、ドライエッチングのみでは効果がなく、一度ＧａＮ層を形成した後、これをドライエッチングにより除去する必要があることが判った。
【００２９】
本発明の第１成膜過程及び除膜過程の実施の前後のサファイア基板を、光学顕微鏡により観察したところ、サファイア基板の表面状態にはほとんど差異が見られなかった。サファイア基板は、エッチングレートがＧａＮ系化合物半導体と比較して非常に遅いので、ほとんどエッチングされない。
【００３０】
以上のように、本発明の第１成膜過程及び除膜過程を含む製造方法により製造したＧａＮ化合物半導体発光素子を用いて、ＬＥＤを作製した場合、基板の製造ロット及び製造メーカーに関わらず、再現性良く、ピーク波長及び出射光量等の特性が均一化され、発光効率が良好であることが判った。
【００３１】
また、実施の形態２において説明したように、ＬＥＤ構造のＧａＮ系化合物半導体層を形成した後に除膜し、再度ＬＥＤ構造のＧａＮ系化合物半導体層を形成し、ＬＥＤを作製した場合も、ＧａＮ系化合物半導体層を１層形成した後に除膜し、ＬＥＤ構造のＧａＮ系化合物半導体層を形成してＬＥＤを作製した場合と同様に、基板の個体差に関わらず、再現性良く、ピーク波長及び出射光量等の特性が均一化され、発光効率が良好であることが判った。
【００３２】
従って、一度使用したウエハでもＧａＮ系化合物半導体層を除膜することで、再使用することができ、また、ＧａＮ系化合物半導体層の形成後に不良品と判断されたウエハを再使用することができるので、本発明のＧａＮ系化合物半導体層の製造方法には、廃棄損の低減によるコスト的なメリット、及び産業廃棄物の減少という環境面でのメリットがある。また、均一な特性のＬＥＤが得られるので、ＬＥＤの量産に非常に大きな効果を及ぼす。
【００３３】
なお、前記実施の形態においては、本発明の製造方法により製造されたＧａＮ系化合物半導体素子を用いてＬＥＤを製造した場合につき説明しているがこれに限定されるものではなく、前記ＧａＮ系化合物半導体素子を用いてレーザダイオードを製造してもよい。この場合もレーザダイオードの特性が均一化され、発光効率が良好である。
【００３４】
また、前記実施の形態においては、ＧａＮ系化合物半導体層を１００ｎｍ以上の厚さに形成した場合につき説明しているがこれに限定されるものではない。但し、１００ｎｍ以上の厚さに形成した方が、得られたＧａＮ化合物発光素子を用いてＬＥＤ等を作製したときの特性の均一化及び発光効率が良好である。
【００３５】
そして、前記実施の形態においては、除膜過程で塩素ガスを用いた場合につき説明しているがこれに限定されるものではなく、臭素系ガス等の他のガス、又は塩素系ガスとの混合物を用いてもよい。但し、塩素系ガス及び／又は臭素系ガスを用いた方が、得られたＧａＮ化合物発光素子を用いてＬＥＤ等を作製したときの特性の均一化及び発光効率が良好である。
【００３６】
さらに、前記実施の形態においては、除膜過程の後に、有機洗浄及び／又は水洗を行う洗浄過程を含むがこれに限定されるものではない。但し、前記洗浄過程を含む方が、得られたＧａＮ化合物発光素子を用いてＬＥＤ等を作製したときの特性の均一化及び発光効率が良好である。
【００３７】
【発明の効果】
以上、詳述したように、第１発明の第１成膜過程及び除膜過程を含む製造方法により製造したＧａＮ化合物半導体発光素子を用いて、ＬＥＤ及びレーザダイオード等を作製した場合、サファイア基板の表面性状の個体差に関わらず、再現性良く、ピーク波長及び出射光量等の特性が均一化され、発光効率が良好である。
【００３８】
第２発明による場合は、第１成膜過程でＧａＮ系化合物半導体膜を１００ｎｍ以上の厚さに成膜するので、得られたＧａＮ化合物発光素子を用いてＬＥＤ等を作製した場合、さらに特性が均一化し、発光効率が良好である。
【００３９】
第３発明による場合は、除膜過程で、塩素系ガス及び／又は臭素系ガスを用いるので、得られたＧａＮ化合物発光素子を用いてＬＥＤ等を作製した場合、さらに特性が均一化し、発光効率が良好である。
第４発明による場合は、除膜過程の後に、有機洗浄及び／又は水洗を行う洗浄過程を含むので、得られたＧａＮ化合物発光素子を用いてＬＥＤ等を作製した場合、さらに特性が均一化し、発光効率が良好である。
【００４０】
第５発明の製造方法により製造されたＬＥＤは、特性が均一化し、発光効率が良好であり、量産効率が良好である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係るＧａＮ系化合物半導体発光素子を示す平面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係るＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造工程を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るＧａＮ系化合物半導体発光素子の製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１ 基板
２ ＡｌＮバッファ層
３ ｎ型ＧａＮ層
４ 活性層
５ ｐ型ＧａＮ層
６ 電流拡散層
７ ｐ電極
９ ｎ電極
Claims (5)
- サファイア基板上に窒化ガリウム系化合物半導体膜を形成する過程を含む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、
１又は複数の窒化ガリウム系化合物半導体膜を形成する第１成膜過程と、
該第１成膜過程により形成された窒化ガリウム系化合物半導体膜をドライエッチングにより除去する除膜過程と、
該除膜過程により窒化ガリウム系化合物半導体膜が除去された前記サファイア基板上に、再度、窒化ガリウム系化合物半導体膜を形成する第２成膜過程と
を含むことを特徴とする窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。 - 前記第１成膜過程で前記窒化ガリウム系化合物半導体膜を１００ｎｍ以上の厚さで成膜する請求項１記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記除膜過程は、塩素系ガス及び／又は臭素系ガスを用いる請求項１又は２記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 前記除膜過程の後に、有機洗浄及び／又は水洗を行う洗浄過程を含む請求項１乃至３のいずれかに記載の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の製造方法。
- 請求項１乃至４のいずれかに記載の製造方法により製造された窒化ガリウム系化合物半導体発光素子をリードフレームに配する過程を含むことを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
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