JP4647216B2

JP4647216B2 - ＧａＰ発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP4647216B2
Application number: JP2004043535A
Authority: JP
Inventors: 秋夫中村; 勇茂木; 裕二吉田
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2004-02-19
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2024-02-19
Also published as: CN1658406A; TW200529473A; JP2005236048A; TWI359514B; CN100576583C

Description

本発明は、ＧａＰ発光素子の製造方法に関するものである。

発光ダイオード等の発光素子は、通常、化合物半導体基板上に複数の化合物半導体層を積層してｐ−ｎ接合を有する多層化合物半導体ウェーハを作製し、これを素子化することによって得られる。従来から、赤色系や緑色系の化合物半導体発光素子には、ＧａＰ（燐化ガリウム）単結晶基板上にＧａＰエピタキシャル層を形成したＧａＰエピタキシャルウェーハが使用されている。

化合物半導体発光素子が改善すべき問題の１つに、輝度がある。化合物半導体発光素子の輝度を向上させるために、結晶欠陥の少ない良質な基板を使用する（下記特許文献１参照）、ドーパントの添加濃度を最適化する（下記特許文献２参照）など、様々な試みがなされている。

特開２０００−１４３３９８号公報特開平１０−２９４４８９号公報

しかしながら、発光素子の高輝度化に対する要望は年々高まる一方であり、その要望に応えるためには、更なる改善案の検討が必要である。

本発明は、より高い輝度を得ることが可能となるＧａＰエピタキシャルウェーハおよびそれを用いたＧａＰ発光素子を提供することを課題とする。

課題を解決するための手段および発明の効果

上記課題を解決するために本発明は、ｎ型ＧａＰ単結晶基板の｛１１１｝Ｂ面に、ｎ型ＧａＰ層が形成されたＧａＰエピタキシャルウェーハにおいて、｛０１−１｝へき開面を選択エッチングしたときにｎ型ＧａＰ層に観察され、ｎ型ＧａＰ層の成長界面に平行な面と交差して延びる櫛歯状の結晶欠陥の本数が、成長界面において、１００μｍあたり３０本以下であることを前提とする。

また、本発明は、ｎ型ＧａＰ単結晶基板の｛１１１｝Ｂ面に、複数のｎ型ＧａＰ層と、少なくとも１層のｐ型ＧａＰ層とが積層されてなるＧａＰ発光素子において、｛０１−１｝へき開面を選択エッチングしたときに、複数のｎ型ＧａＰ層のうち、ｎ型ＧａＰ単結晶基板に接する結晶性改善層に観察され、結晶性改善層の成長界面に平行な面と交差して延びる櫛歯状の結晶欠陥の本数が、成長界面において、１００μｍあたり３０本以下であることを前提とする。

一般に、ＧａＰ発光素子用のＧａＰエピタキシャルウェーハは、ＧａＰ単結晶基板上にｎ型ＧａＰ結晶性改善層（ｎ型ＧａＰバッファ層）を有する。ところが、このような結晶性改善層の上に、ｐ−ｎ接合を含む発光層部を形成したにも関わらず、十分な輝度が得られない発光素子が見つかることがある。この原因を探るため、本発明者らは、発光層部を形成する前段階のＧａＰエピタキシャルウェーハの品質を詳しく調べた。そして、ｎ型ＧａＰ単結晶基板の｛１１１｝Ｂ面に、ｎ型ＧａＰ層が形成されたＧａＰエピタキシャルウェーハの｛０１−１｝へき開面を選択エッチングしたときに、ｎ型ＧａＰ単結晶基板に隣接したｎ型ＧａＰバッファ層の成長界面に平行な面と交差して延びる櫛歯状の結晶欠陥の存在を見出した。さらに、この櫛歯状の結晶欠陥の本数と、発光輝度との相関を詳細に調べた結果、上記本発明を完成させるに至った。

そして、上記課題を解決するために本発明に係るＧａＰ発光素子の製造方法は、ｎ型ＧａＰ単結晶基板の｛１１１｝Ｂ面に、ｎ型ＧａＰ層が形成されたＧａＰエピタキシャルウェーハを複数製造し、各ＧａＰエピタキシャルウェーハの｛０１−１｝へき開面を選択エッチングし、該選択エッチングされたへき開面上にて、ｎ型ＧａＰ層内の、該ｎ型ＧａＰ層の成長界面に平行な面と交差して延びる櫛歯状の結晶欠陥の本数を計数し、当該結晶欠陥の本数が１００μｍあたり３０本以下のＧａＰエピタキシャルウェーハを選別し、その選別されたＧａＰエピタキシャルウェーハを用いてＧａＰ発光素子を製造することを特徴とする。すなわち、ＧａＰ単結晶基板に隣接したｎ型ＧａＰ層に観察される櫛歯状の結晶欠陥の本数が、成長界面において、１００μｍあたり３０本以下であるＧａＰエピタキシャルウェーハを用いることにより、輝度の低下が抑制されて比較的高い輝度を示す発光素子を作製することができる。櫛歯状の結晶欠陥の本数が３０本を超えるＧａＰエピタキシャルウェーハを用いて作製した発光素子は、輝度不足となる。

なお、ＧａＰ単結晶基板の｛１１１｝Ｂ面は、結晶方位が［１１１］のＰ充填面を表す。つまり、ＧａＰ単結晶では（１１１）面をＧａ充填面とするとき、（−１−１−１）面がＰ充填面である。また、｛０−１１｝へき開面は、（０−１１）、（０１−１）、（１−１０）、（−１１０）、（１０−１）、（−１０１）を包含する。面指数の上付き“−”は、便宜上、数字の前に付した“−”で代用する。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明のＧａＰ発光素子の断面模式図である。ＧａＰ発光素子１は、ｎ型ＧａＰ単結晶基板１０の｛１１１｝Ｂ面上に、ｎ型ＧａＰバッファ層１１（結晶性改善層）、ｎ型ＧａＰ層１２、Ｎ（窒素）ドープｎ型ＧａＰ層１３、ｐ型ＧａＰ層１４が積層された構造を有する。ｎ型ＧａＰ単結晶基板１０およびｎ型ＧａＰバッファ層１１は、本発明のＧａＰエピタキシャルウェーハ３を構成している。

ｎ型ＧａＰ単結晶基板１０、ｎ型ＧａＰバッファ層１１およびｎ型ＧａＰ層１２には、ｎ型ドーパントとしてたとえば珪素（Ｓｉ）が添加されている。Ｎドープｎ型ＧａＰ層１３は、ｐ型ＧａＰ層１４との間にｐ−ｎ接合を形成している。Ｎドープｎ型ＧａＰ層１３には、ｎ型ドーパントとしてのＳｉと、窒素（Ｎ）がドープされている。Ｎは、アイソエレクトロニックトラップとして働き、発光効率の向上に寄与する。Ｎのドープ量は、要求される発光出力レベルとドミナント発光波長の値に応じて調整される。一方、ｐ型ＧａＰ層１４は、ｐ型ドーパントとしてたとえば亜鉛（Ｚｎ）が添加されている。

ＧａＰ発光素子１は、｛０１−１｝へき開面をＲＣ液で選択エッチングしたときにｎ型ＧａＰバッファ層１１に観察される櫛歯状の結晶欠陥（図４参照）の本数が、成長界面に平行な方向において、１００μｍあたり３０本以下のものである。そのため、ｎ型ＧａＰバッファ層１２の上に形成されるｎ型ＧａＰ層の結晶品質も良好であり、高い輝度を示す。

次に、ＧａＰ発光素子１の製造方法について説明する。まず、ＬＥＣ（Liquid Encapsulated Czochralski）法などの公知の単結晶育成法により作製されたＧａＰ単結晶棒を切断して、ｎ型ＧａＰ単結晶基板１０を得る。ｎ型ＧａＰ単結晶基板１０は、面取り、研磨などの前処理が施されている。

次に、図２に示すように、ｎ型ＧａＰ単結晶基板１０を成長容器２０内に収容させたのち、成長容器２０を回転させてｎ型ＧａＰ単結晶基板１０をＧａ溶液１６に接触させる。Ｇａ溶液１６は、ＧａＰ多結晶およびｎ型ドーパントとなるＳｉを溶解させた飽和溶液とされる。次に、Ｇａ溶液１６を加熱して、ｎ型ＧａＰ単結晶基板の表面をメルトバックする。次に、ＧａＰ溶液１６の温度を約０．２℃／ｍｉｎの速度で徐々に下げて、Ｇａ溶液１６中に溶解しているＧａＰをバッファ層１１としてｎ型ＧａＰ単結晶基板１０上に析出させる。このようにして、ｎ型ＧａＰバッファ層１１がｎ型ＧａＰ単結晶基板１０上に形成されたＧａＰエピタキシャルウェーハ３（図１参照）が得られる。

次に、結晶欠陥観察用のＧａＰエピタキシャルウェーハ３を成長容器２０から取り出したのち、公知のＲＣ液を用いて、｛０１−１｝へき開面を選択エッチングし、櫛歯状の結晶欠陥を描出させる。ＲＣ液は、ＨＦ水溶液、ＨＮＯ_３水溶液およびＡｇＮＯ_３からなる混合水溶液である。

続いて、ＲＣ液により選択エッチング処理を行った｛０１−１｝へき開面を、光学顕微鏡にて観察する。そして、ｎ型ＧａＰバッファ層１１に観察される櫛歯状の結晶欠陥の本数を計数する。櫛歯状の結晶欠陥は、ｎ型ＧａＰ単結晶基板１０とｎ型ＧａＰバッファ層１１との成長界面（境界面）に平行な面と交差して延びる形態を有する。したがって、櫛歯状の結晶欠陥の密度は、｛０１−１｝へき開面に現われる上記成長界面１００μｍあたりの本数で表すとよい。そして、その結果が３０本以下となっているＧａＰエピタキシャルウェーハ３は、高輝度ＧａＰ系発光素子用として好適である。

なお、ＧａＰエピタキシャルウェーハ３の｛０１−１｝へき開面をＲＣ液でエッチングすると、木の根状の結晶欠陥（Rooty fault）が観察される場合がある。Rooty faultは、成長層の凹凸によく一致しているうえ、基板との境界面に平行な方向に延びている。これに対し、本発明者が指摘する櫛歯状の結晶欠陥と、ＧａＰ単結晶基板とは交差する。したがって、両者が同時に発生していても、区別は可能である。

櫛歯状の結晶欠陥の数が、許容範囲内に収まっていることを確認したら、ｎ型ＧａＰバッファ層１１の上に、ｎ型ＧａＰ層１２、Ｎドープｎ型ＧａＰ層１３およびｐ型ＧａＰ層１４を形成する。これらのエピタキシャル層は、図３に示すように、スライドボート法を採用した液相成長装置６０により連続成長させることができる。

液相成長装置６０の炉心管２３は、互いに隣り合う成長室２２とドーパント源収容室２１とを形成している。成長室２２内には、石英製の基板ホルダ２４と、同じく石英製の溶液ホルダ２５とを含んで構成されたスライドボート２６が配置されている。ＧａＰエピタキシャルウェーハ３は、基板ホルダ２４に形成された凹部に収容される。ＧａＰエピタキシャルウェーハ３を収容した基板ホルダ２４の上には、Ｇａ溶液３０を収容した溶液ホルダ２５が配置される。Ｇａ溶液３０には、周囲の雰囲気よりドーパントが取り込まれる。

また、ドーパント源収容室２１内には、ボート２８が配置されている。ボート２８には、ｐ型ドーパント源となるＺｎが収容されている。ドーパント源収容室２１には、Ｈ_２およびＡｒの少なくとも一方と、Ｎドープ源としてのＮＨ_３とを炉心管２３内に供給するためのガス供給管３１が接続されている。また、炉心管２３の外周には、成長室２２を加熱するためのメインヒータ３２と、ドーパント源収容室２１を加熱するためのサブヒータ２７が配置されている。

まず、ＺｎおよびＮＨ_３を供給せずに、ｎ型ＧａＰ層１２を形成する。Ａｒガスを供給しながら、成長室２２内の温度を上昇させたのち、溶液ホルダ２５をスライドさせて、ＧａＰエピタキシャルウェーハ３とＧａ溶液３０とを接触させる。続いて、成長室２２内をゆっくり降温しながら、ｎ型ＧａＰ層１２を成長させる。Ｇａ溶液３０には、溶液ホルダ２５から溶出したＳｉが溶け込むので、ｎ型ＧａＰ層１２には、ｎ型ドーパントとしてのＳｉがオートドープされる。

ｎ型ＧａＰ層１２の厚さが所期の値に到達したら、Ａｒガスで希釈したＮＨ_３ガスを成長室２２内に導入する。Ｇａ溶液３０の周囲雰囲気におけるＮＨ_３濃度は、得ようとするＧａＰ発光素子の発光出力レベルと、ドミナント発光波長に応じて設定される。

そして、Ａｒ希釈ＮＨ_３ガスを炉心管２３内に供給しながら、成長室２２内をゆっくり降温し、Ｎドープｎ型ＧａＰ層１３を成長させる。Ｎドープｎ型ＧａＰ層１３は、Ｇａ溶液３０内でＳｉがＮＨ_３と反応して消費されるためＳｉのドープ量は低くなる。そのため、キャリアの注入効率は高い。Ｎドープｎ型ＧａＰ層１３の厚さが所期の値に到達したら、ＮＨ_３ガスの供給を停止する。

次に、Ｚｎを収容したボート２８が配置されたドーパント源収容室２１内を、サブヒータ２７により昇温してＺｎを気化させ、キャリアガスのＡｒまたはＨ_２とともに成長室２２に供給しながら、成長室２２内をゆっくり降温する。これにより、Ｚｎドープされたｐ型ＧａＰ層１４がＮドープｎ型ＧａＰ層１３上に形成される。

そして、ｎ型ＧａＰ単結晶基板１０側にｎ電極、ｐ型ＧａＰ層１４側にｐ電極を各々形成してダイシング後、その半導体チップを支持体に固着し、さらにリード線をワイヤボンディングして樹脂封止することによりＧａＰ発光体素子が得られる。

実験例

本発明の効果を確かめるために以下の実験を行なった。
まず、ＬＥＣ法により作製したＧａＰ単結晶棒を切断して、複数のｎ型ＧａＰ単結晶基板１０を得た。それらｎ型ＧａＰ単結晶基板１０上に、前述した成長容器２０内でｎ型ＧａＰバッファ層１１を液相エピタキシャル成長させて、複数のＧａＰエピタキシャルウェーハ３を得た。次に、スライドボート法を採用した液相成長装置６０（図３参照）を使用して、各ＧａＰエピタキシャルウェーハ３上にＧａＰ層１２，１３，１４を形成することにより、多層構造のＧａＰ発光素子１を作製した。

各ＧａＰ発光素子１について、輝度を測定したのち、｛０１−１｝へき開面をＲＣ液でエッチングし、光学顕微鏡にて観察した。そして、ｎ型ＧａＰバッファ層１１に観察される櫛歯状の結晶欠陥の本数を計数した。この結果に基づいて、櫛歯状の結晶欠陥の本数（密度）と、輝度との相関を示すグラフを作成した（図６）。なお、図４は、櫛歯状の結晶欠陥の発生が少ない場合（１６本／１００μｍ）の顕微鏡写真であり、図５は、櫛歯状の結晶欠陥が多発している場合の顕微鏡写真である。

図６のグラフから読み取れるように、櫛歯状の結晶欠陥が３０本／１００μｍ以下のＧａＰエピタキシャルウェーハを使用すると、発光素子の輝度（相対値）は、３０本／１００μｍよりも多いＧａＰエピタキシャルウェーハを使用した場合の輝度から予想される値（図６の点線）よりも高い値を示した。

本発明にかかるＧａＰ発光素子の断面模式図。ｎ型ＧａＰバッファ層の形成方法の説明図。ｐ−ｎ接合を含むＧａＰ層の形成方法の説明図。本発明にかかる高輝度ＧａＰ発光素子の｛０１−１｝へき開面の顕微鏡写真。低輝度ＧａＰ発光素子の｛０１−１｝へき開面の顕微鏡写真。櫛歯状の結晶欠陥の密度と、発光輝度との相関を示すグラフ。

符号の説明

１ＧａＰ発光素子
３ＧａＰエピタキシャルウェーハ
１０ｎ型ＧａＰ単結晶基板
１１ｎ型ＧａＰバッファ層（結晶性改善層）
１２ｎ型ＧａＰ層
１３Ｎドープｎ型ＧａＰ層
１４ｐ型ＧａＰ層

Claims

ｎ型ＧａＰ単結晶基板の｛１１１｝Ｂ面に、ｎ型ＧａＰ層が形成されたＧａＰエピタキシャルウェーハを複数製造し、各ＧａＰエピタキシャルウェーハの｛０１−１｝へき開面を選択エッチングし、該選択エッチングされた前記へき開面上にて、前記ｎ型ＧａＰ層内の、該ｎ型ＧａＰ層の成長界面に平行な面と交差して延びる櫛歯状の結晶欠陥の本数を計数し、当該結晶欠陥の本数が１００μｍあたり３０本以下のＧａＰエピタキシャルウェーハを選別し、その選別されたＧａＰエピタキシャルウェーハを用いてＧａＰ発光素子を製造することを特徴とするＧａＰ発光素子の製造方法。