JP4913415B2

JP4913415B2 - 発光ダイオード及びその製造方法

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Publication number: JP4913415B2
Application number: JP2006013554A
Authority: JP
Inventors: 隆史渡邊; 篤松村
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2006-01-23
Filing date: 2006-01-23
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2026-01-23
Also published as: JP2007194538A

Description

この発明は、高輝度で特性ばらつきの少ない透明基板型発光ダイオード、その発光ダイオードを低コストで、安定化した歩留まりが得られる製造方法に関する。

ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光素子は、赤色から黄緑色の波長領域において高効率で発光でき、車載用、交通信号用等に利用拡大している。またＧａＮ系化合物半導体発光素子と共に用いられ、青・緑・赤の光三原色を出すことによる白色発光素子として液晶表示装置のバックライトにも利用されている。

ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光素子において、発光した光を効率良く素子から取り出すために、透明な基板が望ましいが、透明な例えばＧａＰ基板では、その上に成長させる半導体層と格子不整合の問題がある。ＧａＡｓ基板ならば格子不整合の問題は起こらないが、ＧａＡｓは不透明という問題が生じる。そこでＡｌＧａＩｎＰ結晶成長に用いた不透明なＧａＡｓ基板を除去し、透明なＧａＰ基板を接合する方法が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

上記高輝度発光素子の製法においては、透明なＧａＰ基板側に一方の電極を有し、接合界面に電気的に導通する構造のため、電気抵抗の低い接合界面を形成する必要がある。しかしながら、透明基板接合時に高温で熱処理する必要があるため、導通特性の均一な接合界面を歩留まりよく製造することが困難であるという問題がある。

これに対して、透明基板と透明接着材料を介して接合する技術が開示されている（特許文献２参照）。この特許文献２に開示された方法では、透明接着材料を用いて、透明基板と光吸収基板を有するＬＥＤエピ層を接着させ、その後、光吸収基板を取り除き、透明基板ＬＥＤを形成する。光吸収基板を取り除いたＬＥＤエピ（エピタキシャル）層表面に第１の電極を形成し、さらにＬＥＤエピ層を部分的にエッチングにより除去して露出させたオーミック接触エピタキシャル層に第２の電極を形成するため、接着された透明基板は、ＬＥＤ構造を支持する働きをするのみであり、電気を流さない構造となる。そのため、上述の特許文献１に開示された方法における、接合界面の導通特性不均一は問題とならず、ばらつきの少ない構造という観点では優れていると言える。

しかしながら、この特許文献２のように成長基板である光吸収基板を取り除き、さらにＬＥＤエピ層を部分的に取り除き、所望のエピタキシャル層を露出させる場合、エッチングによる露出面の表面状態が悪く、形成した電極表面状態が悪化するため、光学的な認識不良を引き起こし、アセンブリ上の問題が発生する。自動運転のワイアボンディング装置やチップソーターなどでは、電極をＣＣＤカメラ等により光学的に認識して位置決めする必要がある。電極表面が荒れていると光学認識に必要な金属反射が得られず認識不良となる。これは下記のような理由による。

ＡｌＧａＩｎＰ系化合物半導体発光素子を作製する場合のエピタキシャル成長用基板としては、エピタキシャル成長層の結晶品質を向上できることから、結晶面方位を（１００）面から［０１１］方向に傾けた基板が用いられる。その傾け方向は結晶面方位を（１００）面から（１１１）Ａ面表出方向が常識となっている（例えば、非特許文献１参照）。ＧａＰやＧａＡｓのような閃亜鉛型構造を有する化合物半導体の結晶面方位を傾斜させる場合、（１００）面から結晶軸を傾斜する方向により、（１１１）Ａ面が表出する方向と、（１１１）Ｂ面が表出方向とがある。（１１１）Ａ面はIII族元素であるＧａが表面に優勢して現れる面であり、（１１１）Ｂ面はＶ族元素であるＰやＡｓが表面に優勢して現れる面である。結晶面方位を（１００）面から［０１１］方向に傾けた基板では、表面側は（１１１）Ａ面が優勢な面となり、一方、裏面側は（１１１）Ｂ面が優勢な面となる。

上述の特許文献２のような構造とする場合、エッチングにより露出させたエピタキシャル層の面は、成長方向に対して裏面側となる。すなわち、結晶面方位を（１００）面から［０１１］方向に傾けた基板を用いて発光部およびオーミック接触エピタキシャル層を形成する場合、露出させるエピタキシャル層表面は、（１１１）Ｂ面が優勢な面となる。（１１１）Ｂ面はエッチングにより粗面となる特徴を有するため、露出されたエピタキシャル層表面が荒れてしまい、上述したような光学認識上の問題を招いてしまう。
特開２００１−５７４４１号公報特開２００２−１５８３７３号公報 H.Sugawara et al., Jpn. J. Appl. Phys., 31(1992)2446.

このように従来、透明基板接合型のＡｌＧａＩｎＰ系高輝度発光素子において、発光部上に成長したオーミックコンタクト形成層と、支持体として働く透明基板とを接合し、接合界面には通電しない電極構成とすることにより、接合界面に起因する特性ばらつきを少なくすることが図られている。
この場合、従来はＧａＡｓ基板上に（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光部を有する半導体層を成長するに際しては、結晶面方位を（１００）面から（１１１）Ａ面を表出する方向に傾けた基板が常識的に使われてきた。このように成長した発光部を透明基板に接合し、接合した透明基板の反対側から不透明基板およびエピタキシャル層の一部を除去して、オーミックコンタクト層をエッチングにより露出させる場合、露出表面が化学的活性の高い（１１１）Ｂ面が優勢な結晶面となるため、エッチングにより粗面化してしまい面状態が悪化していた。
このためその面に電極を形成する際、光学認識上の不具合等を招く問題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、発光層を成長する基板の結晶面方位を適切に選択することにより、エッチング工程によるオーミックコンタクト形成面の面荒れを改善することができ、高輝度で、歩留まりの安定化を図り得る、透明基板接合界面に通電しない構造の透明基板型ＡｌＧａＩｎＰ系発光素子、およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するためになされたもので以下の発明からなる。
（１）組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を含む発光部と、発光部上に形成されたＧａＰからなるオーミックコンタクト形成層と、オーミックコンタクト形成層上に接合された透明基板と、該透明基板が接合された面と対向する表面側に形成された極性の異なる第１の電極と第２の電極とを有し、第１の電極は発光部上に、第２の電極は発光部の一部が除去されて露出したオーミックコンタクト形成層上に形成された透明基板型発光ダイオードにおいて、
前記オーミックコンタクト形成層の第２の電極を形成する面が、（１００）面から（１１１）Ａ面を表出させる方向へ傾斜した結晶面であることを特徴とする発光ダイオード。
（２）前記透明基板が、ＧａＰまたはＳｉＣからなる上記（１）に記載の発光ダイオード。

（３）前記透明基板が、ガラスまたはＡｌ₂Ｏ₃からなる上記（１）に記載の発光ダイオード。
（４）（１００）面から（１１１）Ｂ面を表出させる方向へ傾斜した結晶面を主面とするＧａＡｓ基板上に、組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を含む発光部と、発光部上に形成されたＧａＰからなるオーミックコンタクト形成層とを順次結晶成長により形成する工程と、前記オーミックコンタクト形成層表面に前記発光層からの発光波長に対して透明な基板を接合する工程と、前記ＧａＡｓ基板を除去する工程と、ＧａＡｓ基板を除去した後に露出させた発光部表面に第１の電極を形成し、さらに発光部の一部を除去して露出させたオーミックコンタクト形成層上に第１の電極とは極性の異なる第２の電極を形成する工程と、を含む透明基板型発光ダイオードの製造方法。

本発明は、オーミックコンタクト層の露出させる面の結晶面を化学的に安定な（１１１）Ａ面が優勢な結晶面とすることにより、すなわち、結晶面方位を（１００）面から＜０１−１＞方向で、（１１１）Ｂ面を表出させる方向へ傾斜した結晶面を主面とした基板を成長基板として用い、露出されるオーミックコンタクト形成層表面を（１１１）Ａ面が優勢な面とすることにより、エッチングによる表面状態悪化の防止を図ることが可能となる。これにより高輝度で、ばらつきの少ない透明基板型発光ダイオードを安定した歩留まりで製造することができる。

以下図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。
本発明の透明基板型発光ダイオードは図３に示すように組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）からなる発光層１３３を含む発光部１２を有する。発光部は発光層を挟んでｎ型のクラッド層１３２、ｐ型のクラッド層１３４を有する。これらのクラッド層も一般には組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）からなる。
発光部上にはＧａＰからなるオーミックコンタクト形成層１３５が接合されている。
オーミックコンタクト形成層１３５上には図４に示すように透明基板１４が接合されている。透明基板は導電性でも絶縁性でもよい。導電性のものとしてはＧａＰ、ＳｉＣが好ましく、絶縁性のものではガラス、Ａｌ₂Ｏ₃が好ましい。

電極は第１図に示すように発光ダイオードの同一面側に第１の電極（例えばｎ型）とこれとは極性の異なる第２の電極（例えばｐ型）が形成される。第２の電極は図５に示すように発光部を除去して露出したオーミックコンタクト形成層１３５上に形成される。
第２の電極が形成されるオーミックコンタクト形成層１３５の面は（１００）面から（１１１）Ａ面を表出させる方向へ傾斜した結晶面である。この面は（１００）面から＜０１１＞方向、即ち［０１１］方向または［０−１−１］方向へ傾斜した面である。これらの傾斜角度は２〜２０度が好ましい。
本発明の発光素子は次のようにして得ることができる。
（１００）面から（１１１）Ｂ面を表出させる方向へ傾斜した結晶面を主面とするＧａＡｓ基板上に、必要によりバッファ層を介して、ｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層を積層した半導体層を含む発光部を形成し、その上にさらにｐ型ＧａＰからなるオーミックコンタクト形成層を積層する。基板の傾斜角度は上記のオーミックコンタクト形成層の傾斜角度と同じ好ましくは２〜２０度である。半導体層の形成にはＭＯＣＶＤ法など公知の方法が用いられる。これらの半導体層の上に透明基板を接合する。

例えば透明基板としてＧａＰ基板を接合する場合、ＧａＰ基板と半導体層とは圧力にして1×１０^-3Ｐａ以下の真空中で接合させる。特に、研磨された平滑な表面を相互に接合させることとすると強固な接合を形成できる。双方を接合させるに先立ち、１００エレクトロンボルト（単位：ｅＶ）以上のエネルギーを有するＨｅ、Ａｒなどの原子のビーム（ｂｅａｍ）またはイオンビームを接合させようとする表面に照射し、接合させる表面を活性化させるのが好ましい。活性化とは、接合させる表面に存在する酸化膜、炭素等を含む不純物層や汚染層などが除去された清浄な状態の表面を創出することを云う。この照射を、透明な基板または発光部を含む半導体層の何れかの表面に前処理として行えば、双方を強固に確実に接合させられる。また、双方の表面に行うと、より強固な強度で双方を結合させることができる。また接合はエピウェーハの反り等を考慮して機械的加圧を加えて行うことが好ましい。

発光部を含む半導体層にＧａＰを接合させて、半導体層を機械的に支持できる状態とした後、その発光部を形成するために利用した基板を除去すると、発光の外部への取り出し効率を向上させられ、従って、高輝度の化合物半導体ＬＥＤを構成できる。特に、（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）発光層からの発光を吸収してしまう光学的に不透明な材料を基板として利用している場合、この様に基板を除去する手段は、高輝度のＬＥＤを安定して製造するに貢献できる。基板と発光部との中間の位置に、発光層から出射される光を吸収する材料から成る層、例えば、バッファ層が存在する場合、基板と併せてそれを除去するとＬＥＤの高輝度化にとって有利となる。基板は、機械的切削加工、研磨、物理的乾式または化学的湿式エッチング等、及びそれらを併用して除去できる。

基板を除去した面に第１の電極（ｎ型）を形成する。またエッチングにより第２の電極（ｐ型）を形成するオーミックコンタクト形成層までエピ層を除去し、第２の電極を形成する。
このようにして作製した発光素子においては、第１電極および第２電極に通電して発光させる際、透明基板接合界面を通して通電させる必要がなく、接合界面の電気特性ばらつきによる特性不良は発生しないため、特性歩留まりが安定する。

成長に用いたＧａＡｓ基板は、（１００）面から（１１１）Ｂ面を表出させる方向へ傾斜した結晶面を主面としたことから、上記第２の電極を形成するＧａＰからなるオーミックコンタクト形成層表面の結晶面はＧａＡｓ基板裏面側の結晶面に相当し、（１１１）Ａ面が優勢に表出する結晶面を有するＧａＰ表面となる。

（１１１）面のＧａＰは、その面方位により化学反応に対する活性が異なることが知られており、文献（例えば、H.C.Gatos and M.C.Lavine, J.Electrochem.Soc.,107(1960)427.等）に報告されている。（１１１）Ａ面は、（１１１）Ｂ面と比較して、化学反応に対する活性が低い。従って、上述のように、エッチングによりエピ層を除去して露出させたオーミックコンタクト形成層表面を（１１１）Ａ面が優勢に表出する結晶面のＧａＰとした場合、粗面化されにくくなることから、良好な面状態とすることができる。

以下、本発明の詳細について図面を参照しながら説明する。
図１および図２は、本実施例で作製した半導体発光ダイオードを示した図で、図１はその平面図、図２は図１のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。図３は、半導体発光ダイオードに用いられる半導体エピタキシャルウェーハの層構造の断面図である。図４および図５は本実施例における半導体発光ダイオードの製造方法の概略を示す断面図である。
本実施例で作製した半導体発光ダイオード１０は、ＡｌＧａＩｎＰ発光部を有する赤色発光ダイオード（ＬＥＤ）である。
本実施例１では、ＧａＡｓ基板上に設けたエピタキシャル積層構造体（エピウェーハ）とＧａＰ基板とを接合させて発光ダイオードを作製する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。

発光ダイオード１０は、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶からなる半導体基板１１上に順次、積層した半導体層１３を備えたエピタキシャルウェーハを使用して作製した。ＧａＡｓ基板１１は、（１００）面から＜０１−１＞方向であって、（１１１）Ｂ面を表出させる方向へ１５°傾斜した結晶面を主面としたものを用いた。積層した半導体層とは、Ｓｉをドープしたｎ型の（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる１３０、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓからなるコンタクト層１３１、Ｓｉをドープしたｎ型の（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる下部クラッド層１３２、アンドープの（Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐ／Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐの２０対からなる発光層１３３、およびＭｇをドープしたｐ型の（Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる上部クラッド層および薄膜（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐからなる中間層１３４、オーミックコンタクト形成層とするＭｇドープしたｐ型ＧａＰ層１３５である。

本実施例では、上記の半導体層１３０〜１３５各層は、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ₃）₃Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）およびトリメチルインジウム（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ）をIII族構成元素の原料に用いた減圧有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）によりＧａＡｓ基板１１上に積層して、エピタキシャルウェーハを形成した。Ｍｇのドーピング原料にはビスシクロペンタジエチルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ₅Ｈ₅）₂Ｍｇ）を使用した。Ｓｉのドーピング原料にはジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）を使用した。また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ₃）またはアルシン（ＡｓＨ₃）を用いた。ＧａＰ層１３５は７５０℃で成長させ、半導体層１３をなすその他の半導体層１３０〜１３４は７３０℃で成長させた。

（Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5）_0.5Ｉｎ_0.5Ｐエッチングストップ層（バッファ層）１３０のキャリア濃度は約２×１０¹⁸ｃｍ^-3、また、層厚は約０．２μｍとした。コンタクト層１３１は、ＧａＡｓから構成し、キャリア濃度は約２×１０¹⁸ｃｍ^-3、層厚は、約０．２μｍとした。ｎ−クラッド層１３２のキャリア濃度は約８×１０¹⁷ｃｍ^-3、また、層厚は約２μｍとした。発光層１３３は、アンドープの０．８μｍとした。ｐ−クラッド層１３４のキャリア濃度は約２×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、また、層厚は１μｍとした。ＧａＰ層１３５のキャリア濃度は約３×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚は９μｍとした。
ｐ型ＧａＰ層１３５は、表面から約１μｍの深さに至る領域を研磨し、鏡面加工した。鏡面加工に依り、ｐ型ＧａＰ層１３５の表面の粗さを０．１８ｎｍとした。

一方、上記のｐ型ＧａＰ層１３５の鏡面研磨した表面に貼付するＧａＰ基板１４を用意した。貼付用ＧａＰ基板１４の直径は５０ミリメートル（ｍｍ）で、厚さは２５０μｍであった。このＧａＰ基板１４の表面は、ｐ型ＧａＰ層１３５に接合させる以前に鏡面に研磨し、平方平均平方根値（ｒｍｓ）にして０．１２ｎｍに仕上げておいた。
上記のＧａＰ基板１４及びエピタキシャルウェーハを搬入し、３×１０^-5Ｐａまで装置内を真空に排気した。その後、表面の汚染を除去するためにＧａＰ基板１４およびエピウェーハ表面に加速されたＡｒビームを表面に照射し、接合前の処理を行った。その後、真空中で、両者を室温で接合した。

次に、接合したウェーハから、ＧａＡｓ基板１１をアンモニア系エッチャントにより選択的に除去した。その後、エッチングストップ層１３０を塩酸で、除去した。
コンタクト層１３１の表面に第１のオーミック電極１５として、ＡｕＧｅ、Ｎｉ合金を厚さが０．２μｍとなるように真空蒸着法によりｎ形オーミック電極を形成した。一般的なフォトリソグラフィー手段を利用してパターニングを施し、電極１５を形成した。その後、電極形成部以外のコンタクト層を除去した。
次に、ｐ電極を形成する領域の発光層を含むエピ層１３１〜１３４をＨＢｒ−Ｂｒエッチャントにより除去し、オーミックコンタクト形成層であるＧａＰ層１３５を露出させた。ＧａＰ層の表面にＡｕＢｅを０．２μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法でｐ形オーミック電極１６を形成した。４５０℃で１０分間熱処理を行い、合金化し低抵抗のｐ型およびｎ型オーミック電極を形成した。
次に、ダイシングソーを用いて切断し、チップ化した。ダイシングによる破砕層および汚れを硫酸・過酸化水素混合液で除去し、半導体発光ダイオード（チップ）１０を作製した。

作製した半導体発光ダイオードチップを実装するため、自動ボンディング装置にかけたところ、電極面の面状態が良好なことから、光学的な認識不具合による不良は発生しなかった。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されたものではない。半導体層に接合する基板はＧａＰに限るものではなく、発光部の発光波長に対して透明であり、且つ発光部を支持可能な機械的強度を有するものであればよい。また、本実施例では、図１に例示した如くの単純な構成から例えば、オーミック電極１５を構成したが、電極の形状は、平面視で例えば、点（ドット）、格子、円、四角形状やそれらの組み合わせた形状等、電流拡散に適する電極のパターンを選択してもよい。

本発明の発光ダイオードは赤色から黄緑色の波長領域において高効率で発光でき、車載用、交通信号用等に利用できる。またＧａＮ系化合物半導体発光素子と共に用い、青・緑・赤の光三原色を出すことによる白色発光素子として液晶表示装置のバックライトにも利用できる。

本発明の実施例に係わる半導体発光ダイオードの平面模式図である。本発明の実施例に係わる半導体発光ダイオードの、図１のＩ−Ｉ線に沿った断面を示す模式図である。本発明の実施例に係わるエピウェーハの断面構造を示す模式図である。本発明の実施例に係わるエピウェーハおよび接合する透明基板の断面構造を示す模式図である。本発明の実施例に係わるエピウェーハおよび接合する透明基板の断面構造を示す模式図である。

符号の説明

１０半導体発光ダイオード
１１半導体基板
１２発光部
１３半導体層
１４接合用透明基板
１５ｎ型オーミック電極
１６ｐ型オーミック電極
１３０バッファ層
１３１コンタクト層
１３２下部クラッド層
１３３発光層
１３４上部クラッド層
１３５オーミックコンタクト形成層

Claims

組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を含む発光部と、発光部上に形成されたＧａＰからなるオーミックコンタクト形成層と、オーミックコンタクト形成層上に接合された透明基板と、該透明基板が接合された面と対向する表面側に形成された極性の異なる第１の電極と第２の電極とを有し、第１の電極は発光部上に、第２の電極は発光部の一部が除去されて露出したオーミックコンタクト形成層上に形成された透明基板型発光ダイオードにおいて、
前記オーミックコンタクト形成層の第２の電極を形成する面が、（１００）面から（１１１）Ａ面を表出させる方向へ傾斜した結晶面であることを特徴とする発光ダイオード。
前記透明基板が、ＧａＰまたはＳｉＣからなる請求項１に記載の発光ダイオード。
前記透明基板が、ガラスまたはＡｌ₂Ｏ₃からなる請求項１に記載の発光ダイオード。
（１００）面から（１１１）Ｂ面を表出させる方向へ傾斜した結晶面を主面とするＧａＡｓ基板上に、組成式（Ａｌ_XＧａ_1-X）_YＩｎ_1-YＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）から成る発光層を含む発光部と、発光部上に形成されたＧａＰからなるオーミックコンタクト形成層とを順次結晶成長により形成する工程と、前記オーミックコンタクト形成層表面に前記発光層からの発光波長に対して透明な基板を接合する工程と、前記ＧａＡｓ基板を除去する工程と、ＧａＡｓ基板を除去した後に露出させた発光部表面に第１の電極を形成し、さらに発光部の一部を除去して露出させたオーミックコンタクト形成層上に第１の電極とは極性の異なる第２の電極を形成する工程と、を含む透明基板型発光ダイオードの製造方法。