JP5326538B2 - Compound semiconductor substrate, light emitting element, compound semiconductor substrate manufacturing method, and light emitting element manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化合物半導体基板および発光素子に関し、特には（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰの４元混晶からなるダブルヘテロ構造が形成された化合物半導体基板および発光素子ならびに化合物半導体基板の製造方法および発光素子の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a compound semiconductor substrate and a light emitting device, and more particularly, a compound semiconductor substrate, a light emitting device, and a compound in which a double heterostructure composed of a quaternary mixed crystal of (Al x Ga 1-x ) y In 1-y P is formed. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor substrate and a method for manufacturing a light emitting element.
近年、例えば緑色から赤色の範囲にわたって比較的高輝度の発光が得られやすいことから、発光素子として、ＧａＡｓ基板上に（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（以下、単にＡｌＧａＩｎＰと記載することがある）４元混晶からなる発光層をエピタキシャル成長させた化合物半導体基板から製造されたものがよく利用されている（例えば非特許文献１参照）。
In recent years, for example, since it is easy to obtain light with relatively high luminance over a range from green to red, as a light emitting element, (Al x Ga 1-x ) y In 1-y P (hereinafter simply referred to as AlGaInP) is formed on a GaAs substrate. A material manufactured from a compound semiconductor substrate obtained by epitaxial growth of a light-emitting layer composed of a quaternary mixed crystal (which may be described) is often used (see
しかしながら、ＧａＡｓ基板に格子整合する条件でダブルヘテロ構造をエピタキシャル成長させているが、ダブルヘテロ構造中の活性層から光を取り出すためのＧａＰ窓層をＨＶＰＥ法によって成長させる際に加わる熱や、該窓層が厚膜であることによる応力の影響で、ＧａＡｓ基板側からダブルヘテロ構造側に欠陥が進行し、ダブルヘテロ構造に欠陥が発生する。
このような欠陥は基板外周部に特に発生しやすい。
However, although the double heterostructure is epitaxially grown under the condition of lattice matching with the GaAs substrate, the heat applied when the GaP window layer for extracting light from the active layer in the double heterostructure is grown by the HVPE method, Due to the influence of stress due to the thick layer, defects progress from the GaAs substrate side to the double heterostructure side, and defects are generated in the double heterostructure.
Such defects are particularly likely to occur on the outer periphery of the substrate.
そしてこのような欠陥を含む結晶性の悪い部分にＧａＰ窓層や後述の上クラッド層、ＧａＰ層からｐ型ドーパント、特にＭｇが拡散してくるため、ダブルヘテロ構造中のキャリア濃度分布が面内で不均一になり、特に基板外周部のキャリア濃度が高くなってしまい、基板外周部を用いて作製された発光素子の発光寿命（ライフ）が短くなるといった不良が発生していた。 And since the p-type dopant, especially Mg diffuses from the GaP window layer, the upper cladding layer described later, and the GaP layer into the poorly crystalline portion including such defects, the carrier concentration distribution in the double heterostructure is in-plane. In particular, the carrier concentration at the outer peripheral portion of the substrate is increased, and a light emitting element manufactured using the outer peripheral portion of the substrate has a defect such that the light emission life (life) is shortened.
本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、ダブルヘテロ構造での欠陥を減少させることで、ダブルヘテロ構造中にキャリアが拡散することを抑制して面内キャリア濃度分布を均一にでき、よって発光寿命の長い発光素子を製造することのできる化合物半導体基板とその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and by reducing defects in the double heterostructure, it is possible to suppress the diffusion of carriers into the double heterostructure and make the in-plane carrier concentration distribution uniform. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a compound semiconductor substrate and a method for manufacturing the compound semiconductor substrate that can manufacture a light emitting element having a long light emission lifetime.
上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、ＧａＡｓ基板上に（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなるダブルヘテロ構造が形成された化合物半導体基板であって、前記ＧａＡｓ基板と前記ダブルヘテロ構造との間に、組成の異なる層同士が接する成長界面を少なくとも５以上有するものであることを特徴とする化合物半導体基板を提供する。 In order to solve the above-described problem, in the present invention, at least a double heterogeneous material comprising (Al x Ga 1-x ) y In 1-y P (where 0 <x <1, 0 <y <1) is formed on a GaAs substrate. A compound semiconductor substrate having a structure, wherein the compound semiconductor substrate has at least five or more growth interfaces between layers having different compositions between the GaAs substrate and the double heterostructure. that provides.
このように、ＧａＡｓ基板とダブルヘテロ構造との間に、組成の異なる層同士が接する成長界面を少なくとも５以上設けることによって、ＧａＡｓ基板からの欠陥（転位など）の進行を成長界面で止め、これら欠陥がダブルヘテロ構造に進行することを抑制することができる。
これによって、特にダブルヘテロ構造の外周部の欠陥量を低減させて、ＧａＰ窓層や上クラッド層、ＧａＰ層からドーパントが拡散することが抑制される。そして面内キャリア濃度分布が不均一になることを防止することができる。従って、発光素子を作製した際に、基板外周部を用いて作製されたものと内周部を用いて作製されたものとの発光寿命の差を小さなものとすることができ、また発光寿命の短い発光素子が作製されることも抑制でき、寿命の長い発光素子を製造することができる。
Thus, by providing at least 5 or more growth interfaces between the GaAs substrate and the double heterostructure where the layers having different compositions contact each other, the progress of defects (dislocations, etc.) from the GaAs substrate is stopped at the growth interface. It can suppress that a defect progresses to a double heterostructure.
This reduces the amount of defects particularly in the outer periphery of the double heterostructure, and suppresses diffusion of the dopant from the GaP window layer, the upper cladding layer, and the GaP layer. And it can prevent that in-plane carrier concentration distribution becomes non-uniform | heterogenous. Therefore, when the light emitting element is manufactured, the difference in the light emission lifetime between the one manufactured using the outer peripheral portion of the substrate and the one manufactured using the inner peripheral portion can be reduced, and The production of a short light-emitting element can also be suppressed, and a light-emitting element with a long lifetime can be manufactured.
ここで、前記ＧａＡｓ基板と前記ダブルヘテロ構造との間の前記成長界面は、組成の異なる２つの層を交互に積層することによって形成されたものとすることが好ましい。
このように、組成の異なる２つの層が互いに積層されたことによって成長界面が少なくとも５以上形成された化合物半導体基板であれば、組成の異なる２つの層を交互にエピタキシャル成長させることで容易に形成することができるため、製造コストの低減を図ることができる。
Here, the growth interface between the GaAs substrate and the double heterostructure, have preferably be one formed by laminating two layers having different compositions are alternately.
Thus, in the case of a compound semiconductor substrate in which at least 5 or more growth interfaces are formed by laminating two layers having different compositions, they are easily formed by alternately growing two layers having different compositions. Therefore, the manufacturing cost can be reduced.
また、前記ＧａＡｓ基板と前記ダブルヘテロ構造との間の前記成長界面を、少なくとも１９以上有するものとすることが好ましい。
このように、成長界面を１９以上有することによって、ＧａＡｓ基板からの欠陥の進行をより確実に抑制することができるため、より面内キャリア濃度分布が均一な化合物半導体基板とすることができる。
Moreover, the growth interface between the GaAs substrate and the double heterostructure, have preferably be those having at least 19 or more.
Thus, by having 19 or more growth interfaces, it is possible to more reliably suppress the progress of defects from the GaAs substrate, so that a compound semiconductor substrate having a more uniform in-plane carrier concentration distribution can be obtained.
そして、前記ダブルヘテロ構造を構成する各層の格子定数は、前記ＧａＡｓ基板の格子定数との差が０．１５％以内とすることが好ましい。
このように、ダブルヘテロ構造を構成する各層の格子定数が、ＧａＡｓ基板の格子定数との差が０．１５％以下の化合物半導体基板は、ＧａＡｓとＡｌＧａＩｎＰとの格子定数の差が極めて小さいものであるため、格子定数の差を要因とする基板の輝度やライフ等の諸特性への影響を効果的に抑制することが可能である。従って、より高輝度で、かつ寿命がより長い化合物半導体基板とすることができる。
Then, the lattice constants of each layer constituting the double hetero structure, it is not preferable that the difference between the lattice constant of the GaAs substrate is within 0.15%.
Thus, the compound semiconductor substrate in which the lattice constant of each layer constituting the double heterostructure is 0.15% or less from the lattice constant of the GaAs substrate has a very small difference in lattice constant between GaAs and AlGaInP. Therefore, it is possible to effectively suppress the influence on various characteristics such as luminance and life of the substrate due to the difference in lattice constant. Therefore, a compound semiconductor substrate with higher luminance and longer life can be obtained.
また、本発明に記載の化合物半導体基板から製造されたものであることを特徴とする発光素子であれば、ダブルヘテロ構造中の面内キャリア濃度分布が均一な化合物半導体を用いて製造されたものとなるため、すなわちライフ特性のバラツキが小さな発光素子とすることができる。 A light emitting device manufactured from the compound semiconductor substrate according to the present invention is manufactured using a compound semiconductor having a uniform in-plane carrier concentration distribution in a double heterostructure. Therefore, that is, a light-emitting element with small variation in life characteristics can be obtained.
そして、本発明では、少なくとも、ＧａＡｓ基板上に（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなるダブルヘテロ構造が形成された化合物半導体基板を製造する方法であって、前記ＧａＡｓ基板と前記ダブルヘテロ構造との間に、組成の異なる層を少なくとも６層以上エピタキシャル成長させることを特徴とする化合物半導体基板の製造方法を提供する。 In the present invention, at least a double heterostructure composed of (Al x Ga 1-x ) y In 1-y P (where 0 <x <1, 0 <y <1) is formed on the GaAs substrate. a method of manufacturing a compound semiconductor substrate, between the GaAs substrate and the double heterostructure, that provides a method for manufacturing a compound semiconductor substrate, characterized in that to at least six layers or more epitaxially grown layers having different compositions .
このように、ＧａＡｓ基板とダブルヘテロ構造との間に、組成の異なる層を少なくとも６層以上エピタキシャル成長させることによって、ＧａＡｓ基板からの欠陥（転位など）の進行を阻止するための成長界面を十分に形成することができる。
これによって、ダブルヘテロ構造中、特に基板外周部にＧａＡｓ基板由来の欠陥が発生することを防止して、ＧａＰ窓層や上クラッド層、ＧａＰ層からのドーパントの拡散を抑制することができる。このため、基板面内のキャリア濃度分布が不均一になることを防止することができ、よって発光素子とした際に発光寿命が短くなることを抑制することができる。従って、発光素子とした際に発光寿命のバラツキを小さくできる発光素子を製造できる化合物半導体基板を得ることとができる。
In this way, at least six layers having different compositions are epitaxially grown between the GaAs substrate and the double heterostructure, thereby sufficiently providing a growth interface for preventing the progress of defects (dislocations, etc.) from the GaAs substrate. Can be formed.
As a result, it is possible to prevent the occurrence of defects derived from the GaAs substrate in the double heterostructure, particularly in the outer peripheral portion of the substrate, and to suppress the diffusion of the dopant from the GaP window layer, the upper cladding layer, and the GaP layer. For this reason, it is possible to prevent the carrier concentration distribution in the substrate surface from becoming non-uniform, and thus it is possible to prevent the light emission lifetime from being shortened when the light emitting element is formed. Therefore, it is possible to obtain a compound semiconductor substrate capable of manufacturing a light emitting element that can reduce variation in light emission lifetime when the light emitting element is formed.
ここで、前記エピタキシャル成長は、組成の異なる２つの層を交互に積層するようにエピタキシャル成長させるものとすることが好ましい。
このように、組成の異なる２つの層を交互に積層するようにエピタキシャル成長させることによって、例えば原料ガスの一種類を導入したりしないことによって形成することができるため、容易にエピタキシャル成長させることができ、低コストで面内キャリア濃度が均一な化合物半導体基板を製造することができる。
Here, the epitaxial growth is not preferable to be assumed is epitaxially grown so as to laminate the two layers having different compositions are alternately.
Thus, by epitaxially growing two layers having different compositions so as to be alternately stacked, for example, it can be formed by not introducing one kind of source gas, it can be easily epitaxially grown, A compound semiconductor substrate having a uniform in-plane carrier concentration can be manufactured at low cost.
また、前記エピタキシャル成長させる層の数を、少なくとも２０層以上とするとが好ましい。
このように、組成の異なる層を少なくとも２０層以上積層させることによって、ＧａＡｓ基板からの欠陥の進行を阻止するための成長界面を十分に多く形成することができるため、より面内キャリア濃度分布が均一な、すなわちライフ特性が面内で均一な化合物半導体基板を製造することができる。
Further, the number of layers to the epitaxial growth, when at least 20 layers or more is not preferable.
Thus, by laminating at least 20 layers having different compositions, it is possible to form a sufficiently large number of growth interfaces for preventing the progress of defects from the GaAs substrate. A compound semiconductor substrate that is uniform, that is, has uniform life characteristics in a plane can be manufactured.
そして、前記ダブルヘテロ構造を構成する各層を、該各層の格子定数が前記ＧａＡｓ基板の格子定数に対して０．１５％以内となるように前記ｘおよびｙを調整して（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰをエピタキシャル成長させることによって形成することが好ましい。
このように、発光層であるダブルヘテロ構造を構成する各層を、その格子定数とＧａＡｓ基板の格子定数との差が０．１５％以内となるようにｘおよびｙを調整して（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰをエピタキシャル成長させることによって形成すれば、ＧａＡｓとＡｌＧａＩｎＰとの格子定数の差を極めて小さくすることができる。よって、格子定数の差を要因とする影響を効果的に抑制でき、より高輝度かつ長寿命の化合物半導体基板を得ることができる。
Then, x and y of each layer constituting the double heterostructure are adjusted (Al x Ga 1−) so that the lattice constant of each layer is within 0.15% of the lattice constant of the GaAs substrate. x) y In 1-y P a have preferably be formed by epitaxial growth.
As described above, x and y of each layer constituting the double heterostructure as the light emitting layer are adjusted (Al x Ga) so that the difference between the lattice constant of the light emitting layer and the lattice constant of the GaAs substrate is within 0.15%. be formed by causing 1-x) y in 1- y P a epitaxial growth, it is possible to extremely reduce the difference in lattice constant between GaAs and AlGaInP. Therefore, the influence caused by the difference in lattice constant can be effectively suppressed, and a compound semiconductor substrate with higher brightness and longer life can be obtained.
更に、本発明に記載の化合物半導体基板の製造方法によって製造された化合物半導体基板から発光素子を製造することを特徴とする発光素子の製造方法によれば、ダブルヘテロ構造中の面内キャリア濃度分布が均一な化合物半導体から発光素子を製造することができるため、ライフ特性のバラツキが小さな発光素子を得ることができる。 Furthermore, according to the method of manufacturing a light emitting device, the light emitting device is manufactured from the compound semiconductor substrate manufactured by the method of manufacturing a compound semiconductor substrate according to the present invention. In-plane carrier concentration distribution in the double heterostructure Since a light-emitting element can be manufactured from a uniform compound semiconductor, a light-emitting element with small variation in life characteristics can be obtained.
以上説明したように、本発明によれば、ダブルヘテロ構造での欠陥を減少させることで、ダブルヘテロ構造中にキャリアが拡散することを抑制して面内キャリア濃度分布を均一なものとでき、よって発光寿命のバラツキが小さく、且つ長寿命の発光素子を製造することのできる化合物半導体基板とその製造方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, by reducing defects in the double heterostructure, it is possible to suppress the carrier diffusion in the double heterostructure and to make the in-plane carrier concentration distribution uniform, Therefore, it is possible to provide a compound semiconductor substrate and a method for manufacturing the compound semiconductor substrate which can manufacture a light emitting element having a small variation in light emission lifetime and a long lifetime.
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、発光層であるダブルヘテロ構造中の面内キャリア濃度が均一な、すなわち発光寿命のバラツキが小さく、且つ長寿命の発光素子を製造することができる化合物半導体基板とその製造方法の開発が待たれていた。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically.
As described above, a compound semiconductor substrate having a uniform in-plane carrier concentration in a double heterostructure that is a light emitting layer, that is, a light emitting element with a small variation in light emission lifetime, and a method for manufacturing the compound semiconductor substrate. Development was awaited.
そこで、本発明者らは、ＧａＡｓ基板とダブルヘテロ構造の間に組成の異なる層同士が接する成長界面を形成することで、ＧａＡｓ基板からの欠陥の進行を該成長界面でストップさせ、ＧａＰ窓層や上クラッド層、ＧａＰ層からのドーパントの拡散を防止することで上記目的を達成できないか鋭意検討を重ねた。 Therefore, the present inventors form a growth interface where layers having different compositions are in contact with each other between the GaAs substrate and the double heterostructure, thereby stopping the progress of defects from the GaAs substrate at the growth interface. In addition, intensive investigations were made as to whether the above object could be achieved by preventing the diffusion of dopants from the upper cladding layer and GaP layer.
その結果、ＧａＡｓ基板とダブルヘテロ構造との間に成長界面を少なくとも５以上、言い換えれば組成の異なる層を少なくとも６層以上エピタキシャル成長させた化合物半導体基板であれば、成長界面が欠陥の進行を十分に抑制できることを発見し、本発明を完成させた。 As a result, in the case of a compound semiconductor substrate in which at least 5 or more growth interfaces between the GaAs substrate and the double heterostructure, in other words, at least 6 layers having different compositions are epitaxially grown, the growth interface can sufficiently progress the defects. It was discovered that it can be suppressed, and the present invention has been completed.
以下、本発明について図面を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は本発明の化合物半導体基板の概略の一例を示した図である。
本発明の化合物半導体基板１０は、少なくとも、ＧａＡｓ基板１１上に、ＧａＡｓからなるＧａＡｓバッファ層１２、組成の異なる薄膜からなる層１３ａや１３ｂ、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなるダブルヘテロ構造１５、ＧａＰ窓層の下地となるＧａＰ層１６およびＧａＰ窓層１７が形成されたものである。
そしてＧａＡｓ基板１１とダブルヘテロ構造１５との間に、組成の異なる薄膜層１３ａ、１３ｂ同士が接する成長界面１４を、少なくとも５以上有するものである。すなわち互いに組成の異なる薄膜層１３ａ、１３ｂを少なくとも６層以上形成すればよい。
またダブルヘテロ構造は、例えば、下クラッド層１５ａ、活性層１５ｂ、上クラッド層１５ｃで構成された発光層であり、それぞれの層は（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰ（ただし、０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）からなっている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto. FIG. 1 is a diagram showing an example of a schematic of a compound semiconductor substrate of the present invention.
Between the
The double heterostructure is, for example, a light emitting layer composed of a
このように、ＧａＡｓ基板とダブルヘテロ構造との間に、組成の異なる層同士が接する成長界面を少なくとも５以上設けられた化合物半導体基板は、ＧａＡｓ基板からの欠陥（転位など）の進行を成長界面で止めることができ、欠陥がダブルヘテロ構造に到達することが抑制されたものとすることができる。これによって、ダブルヘテロ構造の欠陥量、特に基板外周部の欠陥の量が大幅に低減されたものとなり、ＧａＰ窓層や上クラッド層、ＧａＰ層からドーパントが拡散することが抑制されたものとなっている。そして面内キャリア濃度分布が均一な化合物半導体基板となり、従って、発光寿命のバラツキが小さく、かつ長寿命の発光素子を製造することのできる化合物半導体基板とすることができる。 As described above, the compound semiconductor substrate in which at least five or more growth interfaces where the layers having different compositions are in contact with each other are provided between the GaAs substrate and the double heterostructure, the progress of defects (dislocations, etc.) from the GaAs substrate is caused by the growth interface. It is possible to prevent the defect from reaching the double heterostructure. As a result, the amount of defects in the double heterostructure, particularly the amount of defects at the outer periphery of the substrate, is greatly reduced, and diffusion of dopants from the GaP window layer, upper cladding layer, and GaP layer is suppressed. ing. Thus, a compound semiconductor substrate having a uniform in-plane carrier concentration distribution can be obtained, and therefore, a compound semiconductor substrate capable of manufacturing a light-emitting element having a small variation in emission lifetime and a long lifetime can be obtained.
尚、成長界面数が４以下の場合、ＧａＡｓ基板からの欠陥（転位など）の進行を抑制することが十分にできないため、成長界面数は５以上必要である。 If the number of growth interfaces is 4 or less, the number of growth interfaces needs to be 5 or more because the progress of defects (dislocations, etc.) from the GaAs substrate cannot be sufficiently suppressed.
ここで、ダブルヘテロ構造１５を構成する各層の格子定数を、ＧａＡｓ基板１１の格子定数との差が０．１５％以内とすることができる。
ＧａＡｓ基板とダブルヘテロ構造を構成する各層の格子定数の差が０．１５％以内の化合物半導体基板であれば、ＧａＡｓとＡｌＧａＩｎＰとの格子定数の差を極めて小さいものとすることができ、このため、格子定数の差を要因とする輝度やライフ等の諸特性が悪化することを抑制することができる。よって長寿命且つ高輝度の発光素子とできる化合物半導体基板とすることができる。
Here, the difference between the lattice constant of each layer constituting the
If the difference in lattice constant between the layers constituting the GaAs substrate and the double heterostructure is within 0.15%, the difference in lattice constant between GaAs and AlGaInP can be made extremely small. It is possible to suppress deterioration of various characteristics such as luminance and life caused by the difference in lattice constant. Therefore, a compound semiconductor substrate that can be a long-life and high-luminance light-emitting element can be obtained.
また、ＧａＡｓ基板１１とダブルヘテロ構造１５との間の成長界面１４を、少なくとも１９以上有するものとすることができる。
このように、成長界面を１９以上有した化合物半導体基板であれば、ＧａＡｓ基板由来の欠陥がダブルヘテロ構造まで進行することを成長界面によって確実に抑制することができる。これによってドーパントの拡散をより確実に抑制することができ、ダブルヘテロ構造中の面内キャリア濃度がより均一な化合物半導体基板とすることができる。
Further, the
As described above, if the compound semiconductor substrate has 19 or more growth interfaces, the growth interface can surely prevent the defects derived from the GaAs substrate from proceeding to the double heterostructure. As a result, dopant diffusion can be more reliably suppressed, and a compound semiconductor substrate having a more uniform in-plane carrier concentration in the double heterostructure can be obtained.
更に、ＧａＡｓ基板１１とダブルヘテロ構造１５との間の成長界面１４は、組成の異なる２つの層を交互に積層することによって形成されたものとすることができる。
組成の異なる２つの層が互いに積層された、つまり組成の異なる２つの層の組み合わせを３ペア以上設けられた化合物半導体基板は、組成の異なる２つの層を交互にエピタキシャル成長させることで容易に形成することができる。このため、容易に製造することができ、安価な化合物半導体基板とすることができる。
Furthermore, the
A compound semiconductor substrate in which two layers having different compositions are stacked on each other, that is, three or more pairs of two layers having different compositions are provided is easily formed by alternately epitaxially growing two layers having different compositions. be able to. For this reason, it can be manufactured easily and an inexpensive compound semiconductor substrate can be obtained.
上述の図１では、組成の異なる薄膜層１３ａ、１３ｂが交互に積層された場合について説明したが、もちろんこれに限定されるものではなく、成長界面１４は、界面で互いに組成の異なる層が少なくとも６層以上形成されたものであれば、本発明の目的を達成することができる。この場合、それぞれの界面で組成が異なっていればよく、同じ組成の層が交互に形成されても良いし、全ての層の組成が異なるものとしても良い。
In FIG. 1 described above, the case where the thin film layers 13a and 13b having different compositions are alternately stacked has been described. However, the present invention is not limited to this, and the
そしてこのような本発明の化合物半導体基板の製造方法の一例について図を参照して以下に説明するが、もちろんこれに限定されるものではない。 An example of the method for producing a compound semiconductor substrate of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to this.
まず、ＧａＡｓ基板１１を用意する。このＧａＡｓ基板１１は、その厚さやドーパントの種類、濃度等は特に限定されず、所望の化合物半導体基板１０を得られるよう適宜選択することができる。
そして、このＧａＡｓ基板１１の上に、ＧａＡｓバッファ層１２をエピタキシャル成長させる。このようなＧａＡｓバッファ層１２を、後述のダブルヘテロ構造１５に先駆けて形成しておくことにより、転位の発生をより抑制することができるとともに、例えばＧａＡｓ基板１１からの不純物の拡散を効果的に防止することができ、有効である。
ここで、ＧａＡｓ基板１１とダブルヘテロ構造１５との間に成長界面１４を５以上、つまり隣接する層同士では組成の異なる層を６層以上形成する際に、ＧａＡｓ基板１１上にまず形成されたＧａＡｓバッファ層１２はこの組成の異なる層としてカウントしない。
First, a
Then, a
Here, when the
そして、ＧａＡｓバッファ層１２の上に、隣接する層同士では組成の異なる薄膜層１３ａや１３ｂを少なくとも６層以上エピタキシャル成長させて、成長界面１４を少なくとも５以上形成する。
Then, on the
ここで、図２に示すように、化合物半導体基板１０’において、組成の異なる薄膜層１３ａ’や１３ｂ’を少なくとも２０層以上形成し、成長界面１４’を少なくとも１９以上形成することができる（図中、層の数は省略して記載してある。）。
このように、隣接する層同士では組成の異なる層を少なくとも２０層以上積層させることによって、成長界面を十分に多く形成することができ、ＧａＡｓ基板からの欠陥の進行をより効果的に抑制することができる。これによりダブルヘテロ構造を構成する各層の欠陥の量をより少なくすることができ、従ってドーパントが活性層中へ拡散することを抑制できる。このため、面内キャリア濃度分布が均一な、すなわちライフ特性が面内で均一な化合物半導体基板を製造することができる。
Here, as shown in FIG. 2, in the
As described above, by stacking at least 20 layers having different compositions between adjacent layers, a sufficiently large growth interface can be formed, and the progress of defects from the GaAs substrate can be more effectively suppressed. Can do. As a result, the amount of defects in each layer constituting the double heterostructure can be further reduced, so that diffusion of the dopant into the active layer can be suppressed. Therefore, it is possible to manufacture a compound semiconductor substrate having a uniform in-plane carrier concentration distribution, that is, a uniform life characteristic in the plane.
また、この隣接する層同士では組成の異なる薄膜層を、組成の異なる２つの層１３ａ、１３ｂを交互に積層するようにエピタキシャル成長させることによって形成することができる。
このように、組成の異なる層をエピタキシャル成長させる際に、組成の異なる２つの層を交互に積層するようにエピタキシャル成長させれば、例えば原料ガスの一種類を導入したりしないことによって形成することができる。これによって、容易に成長界面を形成することができ、従って低コストで面内キャリア濃度が均一な化合物半導体基板を製造することができる。
In addition, a thin film layer having a different composition between adjacent layers can be formed by epitaxial growth so that two
As described above, when layers having different compositions are epitaxially grown, if the layers are epitaxially grown so that two layers having different compositions are alternately stacked, the layers can be formed, for example, without introducing one kind of source gas. . As a result, a growth interface can be easily formed, and thus a compound semiconductor substrate having a uniform in-plane carrier concentration can be manufactured at low cost.
更に、この組成の異なる薄膜層１３ａ、１３ｂを、ダブルヘテロ構造１５で発生した光を吸収しないような組成とすることができ、これによって、より高輝度の発光素子を形成することのできる化合物半導体基板を得ることができる。
Further, the thin film layers 13a and 13b having different compositions can be made to have a composition that does not absorb the light generated in the
その後、この薄膜層１３ａ、または１３ｂの上に、発光層となるダブルヘテロ構造１５をエピタキシャル成長させる。
上述したように、このダブルヘテロ構造１５は、下クラッド層１５ａ、活性層１５ｂ、上クラッド層１５ｃで構成されており、各層は、いずれも（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰから成っている。
Thereafter, a
As described above, the
ここで、ＧａＡｓ基板１１の格子定数とダブルヘテロ構造を構成する下クラッド層１５ａ、活性層１５ｂ、上クラッド層１５ｃの格子定数の差が０．１５％以内になるように、この（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰのｘおよびｙの値を調整して（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰをエピタキシャル成長させて、上記各層１５ａ、１５ｂ、１５ｃを形成することができる。
このように、発光層であるダブルヘテロ構造を構成する各層の格子定数とＧａＡｓ基板の格子定数との差が０．１５％以内となるようにｘおよびｙを調整して（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰをエピタキシャル成長させることによって、ＧａＡｓとＡｌＧａＩｎＰとの格子定数の差を極めて小さくすることができる。これによって、格子定数の差によって発生する輝度やライフ特性の劣化を効果的に抑制することでき、より高輝度かつ長寿命の化合物半導体基板を得ることができる。
Here, the difference between the lattice constant of the
Thus, x and y are adjusted so that the difference between the lattice constant of each layer constituting the double heterostructure as the light emitting layer and the lattice constant of the GaAs substrate is within 0.15% (Al x Ga 1− the x) y in 1-y P by epitaxially growing, can be made very small difference in lattice constant between GaAs and AlGaInP. As a result, it is possible to effectively suppress deterioration of luminance and life characteristics caused by the difference in lattice constant, and it is possible to obtain a compound semiconductor substrate with higher luminance and longer life.
次に、上述したように、上クラッド層１５ｃの上には、電流を十分に拡散させて、効率よく発光させるために、ＧａＰ層１６を形成することができる。
また、さらにこのＧａＰ層１６の上にＧａＰ窓層１７を形成して、より広い範囲で効率よく発光させることができる。
Next, as described above, the
Further, a
なお、上記のＧａＡｓ基板１１の上に形成するＧａＡｓバッファ層１２、下クラッド層１５ａ、活性層１５ｂ、上クラッド層１５ｃ、ＧａＰ層１６、ＧａＰ窓層１７等の形成方法は特に限定されないが、例えば従来と同様にして、ＭＯＶＰＥ法、ＨＶＰＥ法によってエピタキシャル成長して形成することができる。各層の形成のときに使用する装置も、従来と同様の装置を用いることができる。
そして、その各層の厚さやドーパントの種類、濃度、あるいは形成時の温度や時間といった形成条件も特に限定されることなく、所望の化合物半導体基板１０が得られるよう適宜設定することができる。
A method for forming the
The formation conditions such as the thickness of each layer, the type and concentration of the dopant, and the temperature and time at the time of formation are not particularly limited, and can be appropriately set so as to obtain a desired
このとき、前述したように、化合物半導体基板１０に反りや割れが生じるのを防ぐために、化合物半導体基板１０が十分な厚さを持つように各層の形成条件を設定すると良い。
例えば、化合物半導体基板１０の全体が２００から５００μｍの厚さになるように、ＧａＡｓ基板１１の厚さやＧａＰ窓層１７等の厚さを調整することができる。
At this time, as described above, in order to prevent the
For example, the thickness of the
以上のような製造方法によって、目標とする発光波長を有する光を取り出すことができ、かつ、輝度やライフ等の特性が優れた化合物半導体基板１０を製造することができる。
そして、図４のように上記のようにして得られた化合物半導体基板１０のさらに上に電極２を形成して、ダイシング等の工程を施して素子化することによって、本発明の発光素子１を得ることができる。
By the manufacturing method as described above, the
Then, the
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
まず、直径２インチ（５ｃｍ）、厚さ２８０μｍのｎ型ＧａＡｓ基板を用意した。
このＧａＡｓ基板上にＭＯＶＰＥ法によって、シリコンドープ、厚さ０．５μｍのＧａＡｓバッファ層をエピタキシャル成長させた。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are shown and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to these.
Example 1
First, an n-type GaAs substrate having a diameter of 2 inches (5 cm) and a thickness of 280 μm was prepared.
A GaAs buffer layer having a thickness of 0.5 .mu.m was epitaxially grown on the GaAs substrate by MOVPE.
次に、成長界面を形成するために、ＭＯＶＰＥ法によってＧａＡｓバッファ層上にｎ型のＡｌ０．１ＧａＩｎＰからなる層とｎ型のＡｌＩｎＰからなる層を交互に積層させ、計６層（成長界面数で５）エピタキシャル成長させた。この時の各層の厚さは全て０．０３μｍとした。 Next, in order to form a growth interface, a layer made of n-type Al 0.1 GaInP and a layer made of n-type AlInP are alternately stacked on the GaAs buffer layer by the MOVPE method, for a total of six layers (growth interface). 5) Epitaxial growth. The thickness of each layer at this time was all 0.03 μm.
次に、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰから成るダブルヘテロ構造をＭＯＶＰＥ法によってエピタキシャル成長させた。
まず下クラッド層としてシリコンをドープしたＡｌＧａＩｎＰからなる層をエピタキシャル成長させ、その後、スペーサー層としてノンドープのＡｌＧａＩｎＰ層を形成した後に、ノンドープのＡｌＧａＩｎＰからなる層を活性層としてエピタキシャル成長させた。またセットバック層としてノンドープのＡｌＧａＩｎＰ層を、そして上クラッド層としてＭｇをドープしたＡｌＧａＩｎＰ層を形成した。
Then, was epitaxially grown by MOVPE method double heterostructure composed of (Al x Ga 1-x) y In 1-y P.
First, a layer made of AlGaInP doped with silicon was epitaxially grown as a lower cladding layer, and then a non-doped AlGaInP layer was formed as a spacer layer, and then a layer made of non-doped AlGaInP was epitaxially grown as an active layer. Further, a non-doped AlGaInP layer was formed as a setback layer, and an Mg-doped AlGaInP layer was formed as an upper cladding layer.
なお、原料ガスには、ＴＭＡｌ、ＴＭＧａ、ＴＭＩｎ、Ｃｐ２Ｍｇ（又はＤＥＺｎ）、アルシン、ホスフィン、モノシランを用いた。また、炉内圧力を２００ｈＰａ以下に減圧して行い、エピタキシャル成長温度は７００℃とした。 Note that TMAl, TMGa, TMIn, Cp 2 Mg (or DEZn), arsine, phosphine, and monosilane were used as source gases. The furnace pressure was reduced to 200 hPa or less, and the epitaxial growth temperature was set to 700 ° C.
以上のようにしてダブルヘテロ構造を形成した後、この上にｐ型ＧａＰ層をＭＯＶＰＥ法により形成した。
このｐ型ＧａＰ層は、Ｍｇドープで厚さは２．５μｍとした。
さらに、ＨＶＰＥ法によって電流拡散層としてＺｎをドープしてｐ型ＧａＰ窓層をエピタキシャル成長させて、化合物半導体基板を製造した。
After the double hetero structure was formed as described above, a p-type GaP layer was formed thereon by the MOVPE method.
This p-type GaP layer was Mg-doped and had a thickness of 2.5 μm.
Further, a compound semiconductor substrate was manufactured by doping Zn as a current diffusion layer by HVPE and epitaxially growing a p-type GaP window layer.
この後、（Ａｕ−Ｂｅ）／Ａｕを蒸着してオーミック電極を形成した。また、ＧａＡｓ基板側にも（Ａｕ−Ｇｅ）／Ａｕを蒸着してオーミック電極を形成し、ダイシング等の工程を経て、チップサイズ２８０μｍ角の発光素子を製造した。 Thereafter, (Au—Be) / Au was deposited to form an ohmic electrode. Further, (Au—Ge) / Au was deposited on the GaAs substrate side to form an ohmic electrode, and a light emitting device having a chip size of 280 μm square was manufactured through processes such as dicing.
そして製造した発光素子のダブルヘテロ構造のキャリア濃度を、切り出したチップの四隅に電極を取り付け、Ｈａｌｌ測定によって評価した。その結果を図５に示す。横軸は基板の面内位置であり、ＯＦから直径方向に向かって１〜５と番号をつけた。また縦軸は、３の位置の発光素子のキャリア濃度を１としたときの各位置のキャリア濃度の相対値とした。
また実際に発光素子に５０ｍＡで１００ｈｒ通電し、通電開始からの発光輝度の劣化の度合いを評価し、化合物半導体基板の面内位置と発光輝度の劣化の度合いの関係を図６に示した。図６において、横軸は基板の面内位置であり、ＯＦから直径方向に向かって１〜５と番号をつけた。また縦軸は、３の位置の発光素子の発光輝度の初期値に対する１００ｈｒ通電後の発光輝度の割合とした。
Then, the double heterostructure carrier concentration of the manufactured light emitting device was evaluated by Hall measurement by attaching electrodes to the four corners of the cut-out chip. The result is shown in FIG. The horizontal axis is the in-plane position of the substrate, and numbered 1 to 5 from the OF toward the diameter direction. The vertical axis represents the relative value of the carrier concentration at each position when the carrier concentration of the light emitting element at the
In addition, the light emitting element was actually energized for 100 hours at 50 mA, the degree of deterioration of light emission luminance from the start of current application was evaluated, and the relationship between the in-plane position of the compound semiconductor substrate and the degree of deterioration of light emission luminance is shown in FIG. In FIG. 6, the horizontal axis is the in-plane position of the substrate, and is numbered 1 to 5 from the OF toward the diameter direction. The vertical axis represents the ratio of the light emission luminance after 100 hr energization to the initial value of the light emission luminance of the light emitting element at
（比較例１，２）
図３に示すように、成長界面３４を４つ形成（図３（ａ）：比較例１）、成長界面なし（図３（ｂ）：比較例２）とした以外は実施例１と同様の条件で化合物半導体基板を製造した。
まず、ｎ型ＧａＡｓ基板３１を用意し、その上にＭＯＶＰＥ法によってＧａＡｓバッファ層３２をエピタキシャル成長させた。この時の成長条件は実施例１と同様とした。
(Comparative Examples 1 and 2)
As shown in FIG. 3, the same as Example 1 except that four
First, an n-
次に、比較例１ではＭＯＶＰＥ法によってＧａＡｓバッファ層３２上にｎ型のＡｌ０．１ＧａＩｎＰからなる薄膜層３３ａとｎ型のＡｌＩｎＰからなる薄膜層３３ｂを交互に積層させ、計５層（成長界面数で４）エピタキシャル成長させた。この時の各層の厚さは全て０．０３μｍとした。
また比較例２ではこの工程を省略した。
Next, in Comparative Example 1, a
In Comparative Example 2, this step was omitted.
次に、（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰから成るダブルヘテロ構造３５をＭＯＶＰＥ法によってエピタキシャル成長させ、この上にｐ型ＧａＰ層３６をＭＯＶＰＥ法により形成した。
さらに、ＨＶＰＥ法によって電流拡散層としてＺｎをドープしてｐ型ＧａＰ窓層３７をエピタキシャル成長させて、化合物半導体基板３０，３０’を製造した。この時の成長条件は実施例１と同様とした。
Next, the
Furthermore, the p-type
この後、オーミック電極を形成し、ダイシング等の工程を経て、チップサイズ２８０μｍ角の発光素子を製造し、実施例１と同様の評価を行った。その結果も図５、図６に示す。 Thereafter, an ohmic electrode was formed, a light emitting element having a chip size of 280 μm square was manufactured through processes such as dicing, and the same evaluation as in Example 1 was performed. The results are also shown in FIGS.
図５に示すように、成長界面を５以上形成した実施例１の発光素子では、ダブルヘテロ構造中のキャリア濃度が、比較例１（成長界面数４）や比較例２（成長界面数０）の発光素子に比べて面内で均一になっており、基板外周部のキャリア濃度が内周部に比べてさほど高くないことが判った。 As shown in FIG. 5, in the light emitting device of Example 1 in which five or more growth interfaces were formed, the carrier concentration in the double heterostructure was such that Comparative Example 1 (growth interface number 4) or Comparative Example 2 (growth interface number 0). It was found that the thickness of the substrate was uniform in comparison with the light emitting element, and the carrier concentration in the outer peripheral portion of the substrate was not so high as compared with that in the inner peripheral portion.
そして図６に示すように、実施例１の発光素子では、基板外周部の発光素子であっても基板内周部に比べて寿命がさほど劣化せず、バラツキを小さくできることが判った。
これに対し比較例１，２の発光素子の結果が示すように、成長界面の数が少ないほど基板内周部と外周部の発光寿命の差が大きくなり、バラツキが大きくなってしまった。
As shown in FIG. 6, in the light emitting element of Example 1, it was found that the life of the light emitting element on the outer peripheral portion of the substrate did not deteriorate much compared to the inner peripheral portion of the substrate, and the variation could be reduced.
On the other hand, as the results of the light emitting elements of Comparative Examples 1 and 2 show, the smaller the number of growth interfaces, the larger the difference in the light emission lifetime between the inner and outer peripheral portions of the substrate, and the greater the variation.
（実施例２）
図２に示すように、成長界面を１９、すなわち組成の異なる２種類の薄膜層を交互に積層（１０ペア）するように２０層形成した以外は実施例１と同様の条件で化合物半導体基板を製造し、同様の評価を行った。
その結果、面内のキャリア濃度分布は実施例１の発光素子より更に均一になっており、また発光寿命の面内分布もより均一となっていた。
(Example 2)
As shown in FIG. 2, the compound semiconductor substrate was formed under the same conditions as in Example 1 except that the growth interface was 19, that is, 20 layers were formed so that two types of thin film layers having different compositions were alternately stacked (10 pairs). The same evaluation was made.
As a result, the in-plane carrier concentration distribution was more uniform than that of the light emitting device of Example 1, and the in-plane distribution of the light emission lifetime was also more uniform.
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has any configuration that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and that exhibits the same effects. Are included in the technical scope.
１…発光素子、 ２…電極、
１０，１０’，３０，３０’…化合物半導体基板、
１１，３１…ＧａＡｓ基板、
１２，３２…ＧａＡｓバッファ層、
１３ａ，１３ｂ，１３ａ’，１３ｂ’，３３ａ，３３ｂ…薄膜層、
１４，１４’，３４…成長界面、
１５，３５…ダブルヘテロ構造
１５ａ…下クラッド層
１５ｂ…活性層
１５ｃ…上クラッド層、
１６，３６…ＧａＰ層、
１７，３７…ＧａＰ窓層。
1 ... light emitting element, 2 ... electrode,
10, 10 ', 30, 30' ... Compound semiconductor substrate,
11, 31 ... GaAs substrate,
12, 32 ... GaAs buffer layer,
13a, 13b, 13a ', 13b', 33a, 33b ... thin film layers,
14, 14 ', 34 ... growth interface,
15, 35 ...
16, 36 ... GaP layer,
17, 37 ... GaP window layer.
Claims (10)
前記ＧａＡｓ基板と前記ダブルヘテロ構造との間に、組成の異なる層同士が接する成長界面を少なくとも５以上有するものであり（ただし、前記成長界面を少なくとも５以上形成した層が、前記ダブルヘテロ構造で発生した光を反射する層である場合を除く）、
前記ＧａＡｓ基板と前記ダブルヘテロ構造との間の前記成長界面を少なくとも５以上形成する層が、ＡｌＧａＩｎＰ及び／又はＡｌＩｎＰからなり、かつ、前記ダブルヘテロ構造で発生した光を吸収しないものであることを特徴とする化合物半導体基板。 A compound semiconductor in which a double heterostructure made of (Al x Ga 1-x ) y In 1-y P (where 0 <x <1, 0 <y <1) and a GaP window layer are formed on a GaAs substrate A substrate,
Wherein between the GaAs substrate and the double heterostructure state, and are not to have at least 5 or more growth interface where different layers to each other in composition are in contact (but layers of the growth interface is formed at least 5 or more, the double heterostructure Except for layers that reflect the light generated by
The layer that forms at least five or more of the growth interfaces between the GaAs substrate and the double heterostructure is made of AlGaInP and / or AlInP and does not absorb light generated in the double heterostructure. A featured compound semiconductor substrate.
前記ＧａＡｓ基板と前記ダブルヘテロ構造との間に、組成の異なる層を少なくとも６層以上エピタキシャル成長させ（ただし、前記少なくとも６層以上エピタキシャル成長させた層が、前記ダブルヘテロ構造で発生した光を反射する層である場合を除く）、
前記少なくとも６層以上エピタキシャル成長させる層を、ＡｌＧａＩｎＰ及び／又はＡｌＩｎＰからなり、かつ、前記ダブルヘテロ構造で発生した光を吸収しないものとすることを特徴とする化合物半導体基板の製造方法。 A compound semiconductor in which a double heterostructure made of (Al x Ga 1-x ) y In 1-y P (where 0 <x <1, 0 <y <1) and a GaP window layer are formed on a GaAs substrate A method for manufacturing a substrate, comprising:
At least six layers having different compositions are epitaxially grown between the GaAs substrate and the double heterostructure (provided that the layer epitaxially grown at least six layers reflects light generated in the double heterostructure). ),
The method for producing a compound semiconductor substrate, wherein the at least six layers to be epitaxially grown are made of AlGaInP and / or AlInP and do not absorb light generated in the double heterostructure .
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