JP4962840B2 - 発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
この発明は発光素子及びその製造方法に関する。
（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ混晶（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１；以下、ＡｌＧａＩｎＰ混晶、あるいは単にＡｌＧａＩｎＰとも記載する）により発光層部が形成された発光素子は、薄いＡｌＧａＩｎＰ活性層を、それよりもバンドギャップの大きいｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層とによりサンドイッチ状に挟んだダブルへテロ構造を採用することにより、高輝度の素子を実現できる。
ＡｌＧａＩｎＰ発光素子の場合、発光層部の成長基板としてＧａＡｓ基板が使用されるが、ＧａＡｓはＡｌＧａＩｎＰ発光層部の発光波長域において光吸収が大きい。そこで、特許文献１には、一旦ＧａＡｓ基板を剥離し、ＧａＰ基板を新たに貼り合わせる方法が開示されている。また、特許文献１においては、ＧａＰ基板を貼り合せる側がｐ型であり、貼り合せ界面の直列抵抗低減のため、発光層部の貼り合わせ面側にｐ型ドーパントとしてＺｎを高濃度に添加したＩｎＧａＰからなる中間層を成長し、その中間層をＧａＰ基板に貼り合わせるようにしている。
上記のような直接接合型発光素子は、貼り合せに使用する中間層がｐ型であり、ドーパントとしても酸化に対する耐性が比較的高いＺｎが使用可能である。しかし、ＡｌＧａＩｎＰ発光層をエピタキシャル成長するためのＧａＡｓ単結晶基板はｐ型のものが得難く、実生産においてはｎ型のものしか使用されていないといっても過言ではない。この場合、ＧａＰ基板を貼り合せるのは、ＧａＡｓ単結晶基板が除去された発光層部のｎ型となる第二主表面であり、貼り合せに使用するＩｎＧａＰ中間層をＧａＰ基板とともにｎ型のものに置き換える必要がある。
しかし、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体においてｎ型のドーパントとして多用されているのはＳｉであり、ＩｎＧａＰ中間層をＳｉにより高濃度ドーピングする必要が生ずる。本発明者が検討したところ、ＩｎＧａＰ中間層の全体にＳｉを均一にドーピングすることは困難であり、貼り合せ面となる表面にＳｉ濃度のムラを生じやすいほか、貼り合せ雰囲気中に混入する酸素により表面のＳｉが酸化して不活性化されるため、ｐ型ＩｎＧａＰ中間層よりも貼り合せ界面の直列抵抗を低減しにくいことがわかった。
さらに、ＩｎＧａＰ中間層にＳｉを高濃度でドーピングした場合、貼り合せにより得られる発光素子の直列抵抗が単に増加するだけでなく、通電継続に伴い直列抵抗が経時的に漸減しやすいなど、安定性に欠けることも判明した。直列抵抗が短時間で安定レベルにまで低減されない場合、発光素子を高速スイッチング（ＰＷＭ制御等）により調光駆動する際には、そのスイッチング応答性に大きな影響が及ぶ問題がある。
本発明の課題は、発光層部と透明導電性半導体基板との貼り合せ面側がｎ型となり、貼り合せ面側に形成するＩｎＧａＰ中間層がＳｉドーピングによりｎ型とされる場合においても、貼り合せ界面における素子直列抵抗を十分に低減でき、またそのスイッチング応答性も図ることができる発光素子とその製造方法とを提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明の発光素子は、
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、ＧａＡｓと格子整合する組成を有するＡｌＧａＩｎＰにて各々構成されたｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有する発光層部を有するとともに、第一主表面側がｐ型となり、第二主表面側がｎ型となるように定められた貼り合せ対象層の、第一主表面を部分的に覆う形で光取出側電極が形成される一方、該貼り合せ対象層の第二主表面に活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型透明素子基板が貼り合された構造を有し、かつ、透明素子基板と貼り合せ対象層との一方に、他方との貼り合せ面を形成するとともに、ｎ型ドーパントとなるＳｉを濃化させた高濃度Ｓｉドーピング層が貼り合せ面側に形成されたＩｎＧａＰ中間層が形成されてなることを特徴とする。
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、ＧａＡｓと格子整合する組成を有するＡｌＧａＩｎＰにて各々構成されたｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有する発光層部を有するとともに、第一主表面側がｐ型となり、第二主表面側がｎ型となるように定められた貼り合せ対象層の、第一主表面を部分的に覆う形で光取出側電極が形成される一方、該貼り合せ対象層の第二主表面に活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型透明素子基板が貼り合された構造を有し、かつ、透明素子基板と貼り合せ対象層との一方に、他方との貼り合せ面を形成するとともに、ｎ型ドーパントとなるＳｉを濃化させた高濃度Ｓｉドーピング層が貼り合せ面側に形成されたＩｎＧａＰ中間層が形成されてなることを特徴とする。
また、本発明の発光素子の製造方法は、上記本発明の発光素子の製造方法であって、
ＧａＡｓからなる成長用単結晶基板の第一主表面上に貼り合せ対象層をエピタキシャル成長して中間積層体を得る貼り合せ対象層成長工程と、
中間積層体から成長用単結晶基板を除去する基板除去工程と、
ｎ型透明素子基板の第一主表面又は成長用単結晶基板が除去された貼り合せ対象層の第二主表面に貼り合せ接続層をエピタキシャル成長するとともに、該貼り合せ接続層の貼り合せ面側に高濃度Ｓｉドーピング層を形成する貼り合せ接続層成長工程と、
該高濃度Ｓｉドーピング層の形成された貼り合せ接続層の貼り合せ面にてｎ型透明素子基板と貼り合せ対象層とを貼り合せる貼り合せ工程と、
をこの順序で実施することを特徴とする。
ＧａＡｓからなる成長用単結晶基板の第一主表面上に貼り合せ対象層をエピタキシャル成長して中間積層体を得る貼り合せ対象層成長工程と、
中間積層体から成長用単結晶基板を除去する基板除去工程と、
ｎ型透明素子基板の第一主表面又は成長用単結晶基板が除去された貼り合せ対象層の第二主表面に貼り合せ接続層をエピタキシャル成長するとともに、該貼り合せ接続層の貼り合せ面側に高濃度Ｓｉドーピング層を形成する貼り合せ接続層成長工程と、
該高濃度Ｓｉドーピング層の形成された貼り合せ接続層の貼り合せ面にてｎ型透明素子基板と貼り合せ対象層とを貼り合せる貼り合せ工程と、
をこの順序で実施することを特徴とする。
上記本発明においては、ｎ型透明素子基板を貼り合せ対象層のｎ型となる第二主表面に貼り合せる際に、その少なくともいずれかの貼り合せ面側にＳｉをドーピングしたｎ型のＩｎＧａＰ中間層を形成して貼り合せを行なうとともに、ｎ型ドーパントとなるＳｉを濃化させた高濃度Ｓｉドーピング層をＩｎＧａＰ層の貼り合せ面側に、厚さ方向にいわば局所的に形成する。これにより、酸化しやすいＳｉがドーパントとして用いられているにも拘わらず、貼り合せ界面の直列抵抗を十分に低減でき、また、通電開始後における直列抵抗の変化代も小さく安定であり、例えば、発光素子を高速スイッチングにより調光駆動する用途等においても、そのスイッチング応答性を大幅に改善することができる。
なお、「ＧａＡｓと格子整合するＡｌＧａＩｎＰ」とは、応力による格子変位を生じていないバルク結晶状態にて見込まれる、当該の化合物半導体の格子定数をａ１、同じくＧａＡｓの格子定数をａ０として、｛｜ａ１−ａ０｜／ａ０｝×１００（％）にて表される格子不整合率が、１％以内に収まっている化合物半導体のことをいう。また、活性層は、ＡｌＧａＩｎＰの単一層として構成してもよいし、互いに組成の異なるＡｌＧａＩｎＰからなる障壁層と井戸層とを交互に積層した量子井戸層として構成してもよい（量子井戸層全体を、一層の活性層とみなす）。
ｎ型透明素子基板は、例えばｎ型ＧａＰ単結晶基板が製造も容易で安価であり、また、透明性も高いので本発明に好適に採用できる（このほか、ＧａＡｓＰやＧａＡｌＡｓなどの単結晶基板も採用可能である）。
ＩｎＧａＰ中間層に形成する高濃度Ｓｉドーピング層は、Ｓｉ濃度が２×１０１９／ｃｍ３以上６×１０１９／ｃｍ３以下に調整されていることが望ましい。高濃度Ｓｉドーピング層のＳｉ濃度が２×１０１９／ｃｍ３未満であると貼り合せ界面の直列抵抗低減効果が不十分となりやすい。他方、高濃度Ｓｉドーピング層のＳｉ濃度が６×１０１９／ｃｍ３を超えると、ＩｎＧａＰ中間層と貼り合せ対象層との貼り合せ強度を確保することが困難になる場合があり、例えば、貼り合せ工程の実施後に、ＩｎＧａＰ中間層と貼り合せ対象層との間で剥がれ等が発生しやすくなる。この場合、ＩｎＧａＰ中間層の貼り合せ面のＳｉ濃度は、貼り合せ工程の実施前において３×１０１９／ｃｍ３未満に調整されていることが同様の観点において望ましい。これに対応して、高濃度Ｓｉドーピング層は、Ｓｉ濃度が３×１０１９／ｃｍ３以上６×１０１９／ｃｍ３以下に調整されていることがより望ましい。
貼り合せ工程実施前においては、ＩｎＧａＰ中間層の高濃度Ｓｉドーピング層は、該高濃度Ｓｉドーピング層よりもＳｉ濃度が低いＩｎＧａＰキャップ層にて覆われていることが望ましい。この場合、当該ＩｎＧａＰキャップ層に貼り合せ面が形成される。高濃度Ｓｉドーピング層がＩｎＧａＰキャップ層で覆われていることで、ＩｎＧａＰ中間層の貼り合せ面上のＳｉ濃度を低減でき、貼り合わせ工程における貼り合せ面のＳｉ酸化等に起因した直列抵抗増大や貼り合せ強度の低下を効果的に防止することができる。
前述のごとく、ＩｎＧａＰキャップ層表面のＳｉ濃度が過度に高くなると、ＩｎＧａＰ中間層と貼り合せ対象層との貼り合せ強度が不足し、貼り合せ工程の実施後に、ＩｎＧａＰ中間層と貼り合せ対象層との間で剥がれ等が発生する場合がある。この観点において、貼り合せ工程前のＩｎＧａＰキャップ層のＳｉ濃度は３×１０１９／ｃｍ３未満（望ましくは２×１０１９／ｃｍ３未満）とすることが望ましい。また、ＩｎＧａＰキャップの厚さを１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下の範囲で調整すると、上記の剥がれ発生を抑制する効果は一層顕著となる。
ＩｎＧａＰ中間層はｎ型透明単結晶基板の第一主表面にエピタキシャル成長することができる。このようにすると、必要な厚さを確保しやすいｎ型透明単結晶基板側にＩｎＧａＰ中間層が形成されるので、製造時のハンドリングが容易である。この場合、ＩｎＧａＰ中間層の第一主表面側に高濃度Ｓｉドーピング層を形成すればよい。
次に、高濃度Ｓｉドーピング層は、具体的には次のようにして形成が可能である。すなわち、ＩｎＧａＰ中間層成長工程において、ＩｎＧａＰ中間層を、反応容器内にて該ＩｎＧａＰ中間層を形成する化合物半導体の原料ガスとＳｉ源ドーパントガスとを流通することによりＭＯＶＰＥ（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy:有機金属気相成長）法により成長するとともに、該ＩｎＧａＰ中間層をなす化合物半導体層を予め定められた厚さに成長した段階で、反応容器に供給する原料ガスのＳｉ源ドーパントガスに対する相対流量を減少させることにより高濃度Ｓｉドーピング層をＩｎＧａＰ中間層の表層部に形成することができる。このようにすると、ＭＯＶＰＥによるＩｎＧａＰ中間層の気相成長工程において原料ガスの流量調整により高濃度Ｓｉドーピング層の形成工程を簡単に組み込むことができ、高濃度Ｓｉドーピング層を効率的に形成することができる。
この場合、ＩｎＧａＰ中間層成長工程において、高濃度Ｓｉドーピング層を形成する際に、反応容器へのＳｉ源ドーパントガスの供給を継続したまま原料ガスの供給を停止するようにすれば、ＩｎＧａＰ中間層の表層部の狭い厚さ範囲に高濃度Ｓｉドーピング層を急峻に形成することができ（いわゆるδドーピング）、本発明の効果を一層高めることができる。また、ＩｎＧａＰ中間層成長工程において、高濃度Ｓｉドーピング層を形成する際に、反応容器へのＳｉ源ドーパントガスの絶対供給流量を増加させれば、さらに急峻な高濃度Ｓｉドーピング層を得ることができる。なお、高濃度Ｓｉドーピング層を形成する際には、原料ガスのうちＩＩＩ族元素源をなす有機金属ガスの供給のみ停止し、Ｖ族元素源ガス（Ｐ源ガス：例えばホスフィン）は供給を継続すると、既に成長済みのＩｎＧａＰ中間層からＰ成分が離脱することを抑制できるので望ましい。
また、ＩｎＧａＰ中間層成長工程において、高濃度Ｓｉドーピング層を形成後原料ガスの供給を再開すれば、高濃度Ｓｉドーピング層を覆うＩｎＧａＰキャップ層を簡単に形成することができる。具体的には、ＩｎＧａＰ中間層成長工程において、ＩｎＧａＰ中間層のうち原料ガスの供給中断前までに成長された部分を第二層とし、原料ガスの供給を再開後に成長された部分を第一層とする（つまり、ＩｎＧａＰ中間層は、貼り合せ面側に位置する第一層と、これと反対側に位置する第二層（例えば、第一層よりも厚い）とを有する）。高濃度Ｓｉドーピング層は、Ｓｉ濃度が２×１０１９／ｃｍ３以上６×１０１９／ｃｍ３以下（望ましくは３×１０１９／ｃｍ３以上６×１０１９／ｃｍ３以下）であって第一層と第二層との境界位置にてＳｉ濃度が最大となるように、それら第一層と第二層とにまたがって形成される。そして、第一層の貼り合せ面側の表層部が、高濃度Ｓｉドーピング層よりもＳｉ濃度が低いＩｎＧａＰキャップ層とされる。貼り合せ工程においては、当該ＩｎＧａＰキャップ層の表面にて貼り合せを行なうとよい。なお、本発明において、「原料ガスの供給を停止する」とは、原料ガスの流量を１／１０以下に減少させることをいう。すなわち、「停止期間中」であっても、停止前の流量の１／１０以下の微量であれば原料ガスの供給を継続することが可能である。この場合、停止期間中にもＩｎＧａＰ中間層は低速ではあるが成長を継続することとなるが、この停止期間中の成長部分は、第二層に含まれるものとする。
以下、本発明の実施の形態を添付の図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である発光素子１００を示す概念図である。発光素子１００は、発光層部２４を有するとともに、第一主表面側がｐ型となり、第二主表面側がｎ型となるように定められた貼り合せ対象層５０の第一主表面を部分的に覆う形で光取出側電極９が形成される。発光層部２４は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、ＧａＡｓと格子整合する組成を有するＡｌＧａＩｎＰにて各々構成されたｎ型クラッド層４、活性層５及びｐ型クラッド層６がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有する。貼り合せ対象層５０の第二主表面には、活性層５よりもバンドギャップエネルギーが大きいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型透明素子基板９０が貼り合されている。そして、ｎ型透明素子基板９０と貼り合せ対象層５０との一方、本実施形態ではｎ型透明素子基板９０の第一主表面にＩｎＧａＰ中間層３が形成されてなり、そのＩｎＧａＰ中間層３の第一主表面に、ｎ型ドーパントとなるＳｉを濃化させた高濃度Ｓｉドーピング層３ｄが当該貼り合せ面側に形成されている。
図１は、本発明の一実施形態である発光素子１００を示す概念図である。発光素子１００は、発光層部２４を有するとともに、第一主表面側がｐ型となり、第二主表面側がｎ型となるように定められた貼り合せ対象層５０の第一主表面を部分的に覆う形で光取出側電極９が形成される。発光層部２４は、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、ＧａＡｓと格子整合する組成を有するＡｌＧａＩｎＰにて各々構成されたｎ型クラッド層４、活性層５及びｐ型クラッド層６がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有する。貼り合せ対象層５０の第二主表面には、活性層５よりもバンドギャップエネルギーが大きいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型透明素子基板９０が貼り合されている。そして、ｎ型透明素子基板９０と貼り合せ対象層５０との一方、本実施形態ではｎ型透明素子基板９０の第一主表面にＩｎＧａＰ中間層３が形成されてなり、そのＩｎＧａＰ中間層３の第一主表面に、ｎ型ドーパントとなるＳｉを濃化させた高濃度Ｓｉドーピング層３ｄが当該貼り合せ面側に形成されている。
具体的には、ＩｎＧａＰ中間層３は、例えば組成式をＩｎＡＧａ１−ＡＰで表わしたとき、ＩｎＰ混晶比Ａが０．０５以上０．１以下に調整され、貼り合せ面側に位置する第一層３ａと、これと反対側に位置する第二層３ｂ（例えば、第一層３ａよりも厚い）とを有する。高濃度Ｓｉドーピング層３ｄは、第一層３ａと第二層３ｂとの境界位置にてＳｉ濃度が最大となり、該位置から各層厚さ方向にＳｉ濃度が単調に減少する形で、それら第一層３ａと第二層３ｂとにまたがって形成されている。高濃度Ｓｉドーピング層３ｄはＳｉ濃度が２×１０１９／ｃｍ３以上６×１０１９／ｃｍ３以上（望ましくは、３×１０１９／ｃｍ３以上６×１０１９／ｃｍ３以下）となっている領域である。ＩｎＧａＰ中間層３の厚さは例えば２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
なお、貼り合せ工程完了後の素子状態において、第一層３ａの貼り合せ面側の表層部には、Ｓｉ濃度が３×１０１９／ｃｍ３未満（望ましくは、２×１０１９／ｃｍ３未満）となる、後述のＩｎＧａＰキャップ層３ｃが形成されていてもよい。ただし、後述のごとく、拡散により当該の領域でもＳｉ濃度が３×１０１９／ｃｍ３以上（あるいは２×１０１９／ｃｍ３以上）となり、結果としてのＩｎＧａＰキャップ層３ｃが消滅していても差し支えない。
透明素子基板９０はｎ型ＧａＰ単結晶基板（以下、ｎ型ＧａＰ単結晶基板９０という）であり、その第二主表面の全面が裏面電極２０により覆われている。光取出側電極９は、電流拡散層７の第一主表面の略中央に形成され、該光取出側電極９の周囲の領域が発光層部２４からの光取出領域とされている。また、光取出側電極９の中央部に電極ワイヤ１７を接合するためのＡｕ等にて構成されたボンディングパッド１６が配置されている。
発光層部２４はＭＯＶＰＥ法で成長されたものであり、組成式（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１）にて表される化合物半導体のうち、ＧａＡｓと格子整合する組成を有する化合物半導体にて構成されている。具体的には、発光層部２４は、ノンドープ（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０≦ｘ≦０．５５，０．４５≦ｙ≦０．５５）混晶からなる活性層５を、ｐ型（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｐ型クラッド層６とｎ型（ＡｌｚＧａ１−ｚ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただしｘ＜ｚ≦１）からなるｎ型クラッド層４とにより挟んだ構造を有する。図１の発光素子１００では、光取出側電極９側にｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層６が配置されており、裏面電極２０側にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４が配置されている。従って、通電極性は光取出側電極９側が正である。なお、ここでいう「ノンドープ」とは、「ドーパントの積極添加を行なわない」との意味であり、通常の製造工程上、不可避的に混入するドーパント成分の含有（例えば１０１３〜１０１６／ｃｍ３程度を上限とする）をも排除するものではない。
一方、電流拡散層７は、ドーパントをＺｎ（Ｍｇでもよく、ＺｎとＭｇとを併用してもよい）としたｐ型ＧａＰ層として形成されている。電流拡散層７はハイドライド気相成長（Hydride Vapor Phase Epitaxial Growth Method：ＨＶＰＥ）法により形成されたものであり、その形成厚さは例えば５μｍ以上２００μｍ以下（一例として、１５０μｍ）である。また、電流拡散層７と発光層部２４との間には、発光層部２４に続く形でＭＯＶＰＥ法により成長されたｎ型ＧａＰ接続層７ｐが形成されている。つまり、貼り合せ対象層５０のうち、発光層部２４とｎ型ＧａＰ接続層７ｐとがＭＯＶＰＥ法により成長され、電流拡散層７がＨＶＰＥ法により成長されたものである。
以下、図１の発光素子１００の製造方法について説明する。
まず、図２に示すように、成長用単結晶基板としてのｎ型ＧａＡｓ単結晶基板１（発光層部２４からの発光光束に対して不透明である（活性層５よりもバンドギャップエネルギーが小さい））を用意する。そして、工程１において、その基板１の第一主表面に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１ｂを例えば０．５μｍ、次いで、ＡｌＩｎＰからなるエッチストップ層２を０．５μｍ、そして、発光層部２４として、各々（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰよりなる、１μｍのｎ型クラッド層４（ｎ型ドーパントはＳｉ）、０．６μｍの活性層（ノンドープ）５、及び１μｍのｐ型クラッド層６（ｐ型ドーパントはＭｇ：有機金属分子からのＣもｐ型ドーパントとして寄与しうる）を、この順序にてエピタキシャル成長させる。次に、工程２では、発光層部２４の上にｐ型ＧａＰからなる接続層７ｐをＭＯＶＰＥ法によりヘテロエピタキシャル成長する。
まず、図２に示すように、成長用単結晶基板としてのｎ型ＧａＡｓ単結晶基板１（発光層部２４からの発光光束に対して不透明である（活性層５よりもバンドギャップエネルギーが小さい））を用意する。そして、工程１において、その基板１の第一主表面に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層１ｂを例えば０．５μｍ、次いで、ＡｌＩｎＰからなるエッチストップ層２を０．５μｍ、そして、発光層部２４として、各々（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰよりなる、１μｍのｎ型クラッド層４（ｎ型ドーパントはＳｉ）、０．６μｍの活性層（ノンドープ）５、及び１μｍのｐ型クラッド層６（ｐ型ドーパントはＭｇ：有機金属分子からのＣもｐ型ドーパントとして寄与しうる）を、この順序にてエピタキシャル成長させる。次に、工程２では、発光層部２４の上にｐ型ＧａＰからなる接続層７ｐをＭＯＶＰＥ法によりヘテロエピタキシャル成長する。
これら各層のエピタキシャル成長は、公知のＭＯＶＰＥ法により行なわれる。Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ（インジウム）、Ｐ（リン）の各成分源となる原料ガスとしては以下のようなものを使用できる；
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など；
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など；
・Ｉｎ源ガス；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など。
・Ｐ源ガス：トリメチルリン（ＴＭＰ）、トリエチルリン（ＴＥＰ）、ホスフィン（ＰＨ３）など。
・Ａｌ源ガス；トリメチルアルミニウム（ＴＭＡｌ）、トリエチルアルミニウム（ＴＥＡｌ）など；
・Ｇａ源ガス；トリメチルガリウム（ＴＭＧａ）、トリエチルガリウム（ＴＥＧａ）など；
・Ｉｎ源ガス；トリメチルインジウム（ＴＭＩｎ）、トリエチルインジウム（ＴＥＩｎ）など。
・Ｐ源ガス：トリメチルリン（ＴＭＰ）、トリエチルリン（ＴＥＰ）、ホスフィン（ＰＨ３）など。
次に、図３の工程３に進み、ｐ型ＧａＰよりなる電流拡散層７を、ＨＶＰＥ法により接続層７ｐ上にホモエピタキシャル成長させる。ＨＶＰＥ法は、具体的には、容器内にてＩＩＩ族元素であるＧａを所定の温度に加熱保持しながら、そのＧａ上に塩化水素を導入することにより、下記（１）式の反応によりＧａＣｌを生成させ、キャリアガスであるＨ2ガスとともに基板上に供給する。
Ｇａ（液体）＋ＨＣｌ（気体） → ＧａＣｌ（気体）＋１／２Ｈ２ （気体）‥‥（１）
成長温度は例えば６４０℃以上８６０℃以下に設定する。また、Ｖ族元素であるＰは、ＰＨ３をキャリアガスであるＨ２とともに基板上に供給する。さらに、ｐ型ドーパントであるＺｎは、ＤＭＺｎ（ジメチルＺｎ）の形で供給する。ＧａＣｌはＰＨ３との反応性に優れ、下記（２）式の反応により、効率よく電流拡散層７を成長させることができる：
ＧａＣｌ（気体）＋ＰＨ３（気体）
→ＧａＰ（固体）＋ＨＣｌ（気体）＋Ｈ2（気体）‥‥（２）
Ｇａ（液体）＋ＨＣｌ（気体） → ＧａＣｌ（気体）＋１／２Ｈ２ （気体）‥‥（１）
成長温度は例えば６４０℃以上８６０℃以下に設定する。また、Ｖ族元素であるＰは、ＰＨ３をキャリアガスであるＨ２とともに基板上に供給する。さらに、ｐ型ドーパントであるＺｎは、ＤＭＺｎ（ジメチルＺｎ）の形で供給する。ＧａＣｌはＰＨ３との反応性に優れ、下記（２）式の反応により、効率よく電流拡散層７を成長させることができる：
ＧａＣｌ（気体）＋ＰＨ３（気体）
→ＧａＰ（固体）＋ＨＣｌ（気体）＋Ｈ2（気体）‥‥（２）
ここまでの工程で、ＧａＡｓ単結晶基板１上には化合物半導体成長層６０が２種の気相成長法によりエピタキシャル成長され、中間積層体２００が形成されている。中間積層体２００のうち、発光層部２４、接続層７ｐ及び電流拡散層７が貼り合せ対象層５０であり、それ以外の部分（エッチストップ層２、バッファ層１ｂ及びＧａＡｓ単結晶基板１）が非素子化部分７０である。他方、ＭＯＶＰＥ成長工程においては、上記貼り合せ対象層５０の発光層部２４及び接続層７ｐと、これに先立つエッチストップ層２及びバッファ層１ｂとが成長される。
次に、図４の工程４に進み、ＧａＡｓ単結晶基板１を除去する。該除去は、ＧａＡｓ単結晶基板１の第二主表面側から研削を行って基板厚さをある程度減じてから、ＧａＡｓに対して選択エッチング性を有する第一エッチング液（例えばアンモニア／過酸化水素混合液）を用いてＧａＡｓ単結晶基板１をバッファ層１ｂとともにエッチング除去し、次いで工程５に示すように、エッチストップ層２をなすＡｌＩｎＰに対して選択エッチング性を有する第二エッチング液（例えば塩酸：Ａｌ酸化層除去用にフッ酸を添加してもよい）を用いて該エッチストップ層２をエッチング除去することにより実施できる。なお、エッチストップ層２に代えてＡｌＡｓ剥離層を形成し、これを選択エッチングすることにより、該ＧａＡｓ単結晶基板１を貼り合せ対象層５０から剥離する形でＧａＡｓ単結晶基板１を除去するようにしてもよい。
次に、図５の工程６に示すように、ｎ型ＧａＰ単結晶基板９０（厚さ、例えば２８０μｍ）の第一主表面にＩｎＧａＰ中間層３を、例えば２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下にエピタキシャル成長する。そして、該ＩｎＧａＰ中間層３の貼り合せ面側に高濃度Ｓｉドーピング層３ｄを形成する。ＩｎＧａＰ中間層３のエピタキシャル成長は、発光層部２４と同様にＭＯＶＰＥ法にて実施される。
図６は、ＩｎＧａＰ中間層３の成長工程の詳細を示すものである。反応容器内は、加熱源（本実施形態では赤外線ランプ）により成長温度（例えば９００℃以上１１００℃以下）に昇温される。原料ガスはＩＩＩ族金属源となる有機金属（ＭＯ）ガスとＶ族元素源ガス（ここではホスフィン（ＰＨ３））である。ＭＯガスは金属製のＭＯリザーバ２０３内に収容され、水素ガスからなるキャリアガスをＭＯリザーバ２０３内に導入することで、内部の有機金属がキャリアガスで希釈される形で供給配管内に押し出され、マスフローコントローラ（ＭＦＣ）で流量調整されつつ反応容器内に供給される。なお、キャリアガスは、バイパスバルブ２０２の操作によりＭＯリザーバ２０３をバイパスする形で反応容器に供給できるようになっている。また、Ｖ族元素源ガスと、Ｓｉ源ドーパントガス（ここではモノシラン（ＳＨ４））もそれぞれマスフローコントローラ（ＭＦＣ）で流量調整されつつ反応容器内に供給される。図７に、各工程でのガス供給及び昇温の模式的なタイミングチャートを示している。
まず、図６の工程６１に示すごとく、反応容器内にｎ型ＧａＰ単結晶基板９０を配置し、Ｖ族元素源ガスのみ供給を開始して反応容器内を該Ｖ族元素源ガスでパージしつつ、成長温度Ｔ１までの昇温を開始する（図７：期間Ｐ０）。そして成長温度Ｔ１に到達したら、工程６２に示すごとく、原料ガスであるＭＯガス、Ｖ族元素源ガス及びＳｉ源ドーパントガスとを流通することにより、ＭＯＶＰＥ法によるＩｎＧａＰ中間層３（第二層３ｂ）の成長を開始する（図７：期間Ｐ１）。
該第二層３ｂが予め定められた厚さ（例えば３０ｎｍ）に成長した段階で、反応容器に供給する原料ガスのＳｉ源ドーパントガスに対する相対流量を減少させる。本実施形態では、Ｓｉ源ドーパントガスのみ同一の流量にて供給を継続しつつ、ＭＯガスのみ供給を停止する。これにより、成長の止まったＩｎＧａＰ中間層３の表面に、Ｓｉ源ドーパントガスからのＳｉが濃化吸着した層が形成される（図７：期間Ｐ２）。期間Ｐ２の長さは、Ｓｉ源ドーパントガスの流量も勘案して、後述の高濃度Ｓｉドーピング層３ｄ中のＳｉ濃度が２×１０１９／ｃｍ３以上６×１０１９／ｃｍ３以下（望ましくは３×１０１９／ｃｍ３以上６×１０１９／ｃｍ３以下）となるように設定される。なお、期間Ｐ２においてＶ族元素源ガス（ＰＨ３）の供給は継続され、成長したＩｎＧａＰの分解抑制が図られている。また、図７において一点鎖線で示すように、期間Ｐ２におけるＳｉ源ドーパントガスの流量を、期間Ｐ１における流量よりも増加させることも可能である。
高濃度Ｓｉドーピング層３ｄが終われば、Ｓｉ源ドーパントガスの流通を継続しつつ、ＭＯガスの供給を再開し、第一層３ａを成長する（図７：期間Ｐ３、厚さ例えば２０ｎｍ）。
このとき、図５の工程６に示すように、成長停止中において第二層３ｂ表面に形成されたＳｉ濃化吸着層のＳｉが、その界面位置から新たに成長される第一層３ａと成長済みの第二層３ｂとにそれぞれ拡散する。その結果、高濃度Ｓｉドーピング層３ｄが、Ｓｉ濃度が２×１０１９／ｃｍ３以上６×１０１９／ｃｍ３以下（望ましくは３×１０１９／ｃｍ３以上６×１０１９／ｃｍ３以下）であって第一層３ａと第二層３ｂとの境界位置にてＳｉ濃度が最大となるように、それら第一層３ａと第二層３ｂとにまたがって形成される。また、Ｓｉ濃度は、Ｓｉ濃度が最大となる両層境界位置から各厚さ方向に、それぞれ単調に減少するプロファイルとなる。また、貼り合せ面側においてＳｉ濃度が３×１０１９／ｃｍ３未満（望ましくは２×１０１９／ｃｍ３未満）となる領域がＩｎＧａＰキャップ層３ｃとなり、当該ＩｎＧａＰキャップ層３ｃに貼り合せ面が形成される。ＩｎＧａＰキャップ層３ｃの厚さは１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下（ただし、第一層３ａの厚さよりは当然小さい）である。
第一層３ａ側ではＩｎＧａＰの成長とＳｉ拡散とが並列的に進行するので、高濃度Ｓｉドーピング層３ｄの厚さは第一層３ａ側で厚くなる傾向にある。また、本実施形態では、第一層３ａの厚さを第二層３ｂよりも小さく設定しており、貼り合せ工程において貼り合せ強度をさらに向上させることに寄与している。なお、貼り合せ工程の実施前において、第一層３ａ表面（つまり、貼り合せ面）のＳｉ濃度は、３×１０１９／ｃｍ３未満（望ましくは２×１０１９／ｃｍ３未満）に留まるように（つまり、ＩｎＧａＰキャップ層３ｃが形成されるように）その厚さを調整する。
必要な厚さの第一層３ａの成長が終われば、ＭＯガス及びＳｉ源ドーパントガスの供給を停止し、バイパス路を経由したキャリアガスの供給のみ継続しつつ、赤外線ランプによる加熱を停止して室温まで冷却する。この冷却時においてもＶ族元素源ガス（ＰＨ３）の供給は継続され、成長したＩｎＧａＰの分解抑制が図られている。
図５に戻り、続いて工程７に示すように、高濃度Ｓｉドーピング層３ｄを有するＩｎＧａＰ中間層３が形成されたｎ型ＧａＰ単結晶基板９０の、該ＩｎＧａＰ中間層３の第一主表面を貼り合せ面として、貼り合せ対象層５０の第二主表面を重ね合わせて圧迫し、さらに４００℃以上７００℃以下に昇温して貼り合わせ熱処理を行なう（貼り合わせ熱処理にも加圧を継続するようにしてもよい）。
この貼り合わせ熱処理時において、高濃度Ｓｉドーピング層３ｄのＳｉは貼り合せ面に向けて拡散し、図１に示すように、貼り合せ面近傍のＳｉ濃度が高められる。これが、貼り合せ界面の直列抵抗低減、あるいは通電開始後における直列抵抗の変化代の縮小等に寄与すると考えられる。なお、貼り合せ後においては貼り合せ面でのＳｉ濃度が２×１０１９／ｃｍ３（あるいは３×１０１９／ｃｍ３）超えても差し支えない（つまり、貼り合せ工程が完了した最終的な発光素子においては、Ｓｉ濃度が３×１０１９／ｃｍ３未満（あるいは２×１０１９／ｃｍ３未満）となるＩｎＧａＰキャップ層３ｃが消滅することがありえる）。
以上の工程により、発光素子製造用半導体ウェーハが完成する。そして、この発光素子製造用半導体ウェーハの各チップ領域に真空蒸着法により光取出側電極９及び裏面電極２０を形成し、さらに光取出側電極９上にボンディングパッド１６を配置して、適当な温度で電極定着用のベーキングを施す。そして、このウェーハを各チップにダイシングし、裏面電極２０をＡｇペースト等の導電性ペーストを用いて支持体を兼ねた図示しない端子電極に固着する一方、ボンディングパッド１６と別の端子電極とにまたがる形態でＡｕ製のワイヤ１７をボンディングし、さらに樹脂モールドを形成することにより、発光素子１００が得られる。
本発明の効果を確認するために、高濃度Ｓｉドーピング層３ｄを上記のごとく形成して貼り合せを行った実施例の発光素子サンプルと、図７の期間Ｐ２を省略することにより高濃度Ｓｉドーピング層３ｄを形成しなかった比較用の発光素子サンプルとをそれぞれ作成し、２０ｍＡ通電により通電開始した直後の順方向電圧Ｖｆを初期値とし、その後、通電継続した際に漸減するＶｆの安定値までの順方向電圧Ｖｆの減少代をΔＶｆとして測定した。その結果、比較例の発光素子サンプルに対し実施例の発光素子サンプルは、Ｖｆが１〜４％、ΔＶｆが１０〜４０％それぞれ小さくなっており、顕著に改善されていることがわかった。
１ ｎ型ＧａＡｓ単結晶基板 （成長用単結晶基板）
３ ＩｎＧａＰ中間層
３ｄ 高濃度Ｓｉドーピング層
３ｃ ＩｎＧａＰキャップ層
４ ｎ型クラッド層
５ 活性層
６ ｐ型クラッド層
９ 光取出側電極
２４ 発光層部
９０ ｎ型透明素子基板
５０ 貼り合せ対象層
９０ ｎ型ＧａＰ単結晶基板（透明素子基板）
３ ＩｎＧａＰ中間層
３ｄ 高濃度Ｓｉドーピング層
３ｃ ＩｎＧａＰキャップ層
４ ｎ型クラッド層
５ 活性層
６ ｐ型クラッド層
９ 光取出側電極
２４ 発光層部
９０ ｎ型透明素子基板
５０ 貼り合せ対象層
９０ ｎ型ＧａＰ単結晶基板（透明素子基板）
Claims (12)
- ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、ＧａＡｓと格子整合する組成を有するＡｌＧａＩｎＰにて各々構成されたｎ型クラッド層、活性層及びｐ型クラッド層がこの順序で積層されたダブルへテロ構造を有する発光層部を有するとともに、第一主表面側がｐ型となり、第二主表面側がｎ型となるように定められた貼り合せ対象層の、前記第一主表面を部分的に覆う形で光取出側電極が形成される一方、該貼り合せ対象層の第二主表面に前記活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きいＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型透明素子基板が貼り合された構造を有し、かつ、前記透明素子基板と前記貼り合せ対象層との一方に、他方との貼り合せ面を形成するとともに、ｎ型ドーパントとなるＳｉを濃化させた高濃度Ｓｉドーピング層が前記貼り合せ面側に形成されたＩｎＧａＰ中間層が形成されてなることを特徴とする発光素子。
- 前記ｎ型透明素子基板がｎ型ＧａＰ単結晶基板からなる請求項１記載の発光素子。
- 前記高濃度Ｓｉドーピング層はＳｉ濃度が２×１０１９／ｃｍ３以上６×１０１９／ｃｍ３以下である請求項２記載の発光素子。
- 前記ＩｎＧａＰ中間層は、前記貼り合せ面側に位置する第一層と、前記これと反対側に位置する第二層とを有し、前記高濃度Ｓｉドーピング層は、前記第一層と前記第二層との境界位置にてＳｉ濃度が最大となり、該位置から各層厚さ方向にＳｉ濃度が単調に減少する形で、それら前記第一層と前記第二層とにまたがって形成されてなる請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の発光素子。
- 前記ＩｎＧａＰ中間層は前記ｎ型透明単結晶基板の第一主表面にエピタキシャル成長され、該ＩｎＧａＰ中間層の第一主表面側に前記高濃度Ｓｉドーピング層が形成されている請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の発光素子。
- 請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法であって、
ＧａＡｓからなる成長用単結晶基板の第一主表面上に前記貼り合せ対象層をエピタキシャル成長して中間積層体を得る貼り合せ対象層成長工程と、
前記中間積層体から前記成長用単結晶基板を除去する基板除去工程と、
前記ｎ型透明素子基板の第一主表面又は前記成長用単結晶基板が除去された前記貼り合せ対象層の第二主表面に前記ＩｎＧａＰ中間層をエピタキシャル成長するとともに、該ＩｎＧａＰ中間層の貼り合せ面側に前記高濃度Ｓｉドーピング層を形成するＩｎＧａＰ中間層成長工程と、
該高濃度Ｓｉドーピング層の形成された前記ＩｎＧａＰ中間層の貼り合せ面にて前記ｎ型透明素子基板と前記貼り合せ対象層とを貼り合せる貼り合せ工程と、
をこの順序で実施することを特徴とする発光素子の製造方法。 - 前記ＩｎＧａＰ中間層の貼り合せ面のＳｉ濃度は、貼り合せ工程の実施前において３×１０１９／ｃｍ３未満に調整されてなる請求項６記載の発光素子の製造方法。
- 前記ＩｎＧａＰ中間層成長工程において、前記ＩｎＧａＰ中間層を、反応容器内にて該ＩｎＧａＰ中間層を形成する化合物半導体の原料ガスとＳｉ源ドーパントガスとを流通することによりＭＯＶＰＥ法により成長するとともに、該ＩｎＧａＰ中間層をなす化合物半導体層を予め定められた厚さに成長した段階で、前記反応容器に供給する前記原料ガスの前記Ｓｉ源ドーパントガスに対する相対流量を減少させることにより前記高濃度Ｓｉドーピング層を前記ＩｎＧａＰ中間層の表層部に形成する請求項６又は請求項７に記載の発光素子の製造方法。
- 前記ＩｎＧａＰ中間層成長工程において、前記高濃度Ｓｉドーピング層を形成する際に、前記反応容器への前記Ｓｉ源ドーパントガスの供給を継続したまま前記原料ガスの供給を停止する請求項８記載の発光素子の製造方法。
- 前記高濃度Ｓｉドーピング層を形成する際に、前記原料ガスのうちＩＩＩ族元素源をなす有機金属ガスの供給のみ停止し、Ｖ族元素源ガスは供給を継続する請求項９記載の発光素子の製造方法。
- 前記ＩｎＧａＰ中間層成長工程において、前記高濃度Ｓｉドーピング層を形成する際に、前記反応容器への前記Ｓｉ源ドーパントガスの絶対供給流量を増加させる請求項９又は請求項１０に記載の発光素子の製造方法。
- 前記ＩｎＧａＰ中間層成長工程において、前記ＩｎＧａＰ中間層のうち前記原料ガスの供給中断前までに成長された部分を第二層とし、前記原料ガスの供給を再開後に成長された部分を第一層として、前記高濃度Ｓｉドーピング層を、Ｓｉ濃度が２×１０１９／ｃｍ３以上６×１０１９／ｃｍ３以下であって前記第一層と前記第二層との境界位置にてＳｉ濃度が最大となるように、それら前記第一層と前記第二層とにまたがって形成するとともに、前記第一層の前記貼り合せ面側の表層部を、前記高濃度Ｓｉドーピング層よりもＳｉ濃度が低いＩｎＧａＰキャップ層となし、
前記貼り合せ工程において当該ＩｎＧａＰキャップ層の表面にて前記貼り合せを行なう請求項６ないし請求項１１のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
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