JP5338748B2 - 化合物半導体基板の製造方法及び化合物半導体基板 - Google Patents

Description

本発明は、化合物半導体基板とその製造方法に関し、具体的には、反りが従来に比べて抑制された化合物半導体基板とその製造方法に関する。

ＧａＡｓ単結晶基板上に、発光層部と電流拡散層とを形成した化合物半導体基板から発光素子を作製する方法が従来知られている。
例えばＧａＡｓ単結晶基板上に、ＡｌＧａＩｎＰの４元からなる発光層とＧａＰからなる窓層（以下、単にＧａＰ窓層ともいう）とを形成した化合物半導体基板から発光素子を作製する方法が知られている。
このＧａＰ窓層は、発光層側を有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ法、以下単にＭＯＶＰＥ法ともいう）により比較的薄く形成した後に、ハイドライド気相成長法（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ法、以下単にＨＶＰＥ法ともいう）により比較的厚く形成することによって作製することができる。これによって、発光素子側面からの光取り出し効率を向上させることができるようになる。

さらにＡｌＧａＩｎＰからなる発光素子の更なる高輝度化を実現するために、光吸収性のＧａＡｓ基板を除去して、代わりに光透過性のＧａＰ基板を接合したり、エピタキシャル成長させた基板から作製する発光素子も、従来から知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−２０３９８７号公報

しかしながら、このようなプロセスで製造した化合物半導体基板は反りが大きく、このため非常に割れ易いため扱いづらく、その上製造歩留りが低下するという課題があった。

本発明は、上記問題に鑑みなされたものであって、従来の化合物半導体基板に比べて反りが小さく、これによって割れにくく、またハンドリングが容易であるという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。

上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、ＧａＡｓ基板上に発光層をエピタキシャル成長させる工程と、該発光層の前記ＧａＡｓ基板と反対側となる片方の主表面（第一主面）にｐ型ＧａＰ窓層を気相成長させる工程とを有する化合物半導体基板の製造方法において、前記ｐ型ＧａＰ窓層を気相成長させた後に、該ｐ型ＧａＰ窓層の表面上に厚さ１μｍ以上のＧａＡｓ層を気相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。

このように、発光層をエピタキシャル成長させ、また厚いｐ型ＧａＰ窓層を形成した後に、基板と同材料であるＧａＡｓ層をｐ型ＧａＰ窓層の上に気相成長させ、化合物半導体基板を同材料（ＧａＡｓ）で挟むことにより、化合物半導体基板の反りを抑制することができる。またＧａＡｓ層の厚さを１μｍ以上とすることによって、反りを十分に抑制できる厚さのＧａＡｓ層とすることができる。

ここで、前記発光層として、ＡｌＧａＩｎＰからなる４元発光層をエピタキシャル成長させることが好ましい。
このように、ＡｌＧａＩｎＰからなる４元発光層をエピタキシャル成長させることによって、極めて発光輝度の高い発光素子とすることができる反りの小さな化合物半導体基板を製造することができる。

また、前記ＧａＡｓ層を、厚さ５μｍ以上気相成長させることが好ましい。
このように、気相成長させるＧａＡｓ層の厚さを５μｍ以上とすることにより、作製した化合物半導体基板の反りを５０％程度減少させることができ、より割れる危険が少なく、ハンドリングが容易な化合物半導体基板が得られるようになる。

そして、前記ＧａＡｓ層を気相成長させた後に、該ＧａＡｓ層上に保護膜を形成し、その後前記ＧａＡｓ基板のみをエッチング除去して、その後該ＧａＡｓ基板が除去された側の前記発光層の主表面（第二主面）にＧａＰ窓層を形成する工程を行うことが好ましい。
このように、光を吸収するＧａＡｓ基板を除去し、除去した側にもｎ型ＧａＰ基板の貼り合わせやｎ型ＧａＰ層を気相成長させることができる。ｎ型のＧａＰ窓層を形成することによって、光取り出し効率の高い高輝度発光素子を製造することができる化合物半導体基板が得られる。また、ＧａＡｓ層を保護膜で保護することによって、ＧａＡｓ層がＧａＡｓ基板除去の際に減厚することを防止でき、反り抑制効果が低減することを防ぐことができるので、割れ発生の危険性を低く保つことができる。

また、本発明では、少なくとも、ＧａＡｓ基板上に、発光層と、ｐ型ＧａＰ窓層と、ＧａＡｓ層とがこの順で形成された化合物半導体基板であって、前記ＧａＡｓ層の厚さが、１μｍ以上であることを特徴とする化合物半導体基板を提供する。

このように、ＧａＡｓ基板上に、発光層と、ｐ型ＧａＰ窓層と、厚さ１μｍ以上のＧａＡｓ層とがこの順で形成された化合物半導体基板では、厚さ１μｍ以上と比較的厚いＧａＡｓ層がｐ型ＧａＰ窓層上に形成されたことによって、基板の主表面がＧａＡｓに挟まれた構造となっている。このような構造とすると、従来構造の基板に比べて反りが発生することが十分に抑制され、従来に比べて基板が割れにくく、また扱いが容易な化合物半導体基板とすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、従来の化合物半導体基板に比べて反りが小さく、これによって割れにくく、またハンドリングが容易であるという化合物半導体基板とその製造方法が提供される。

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の製造方法の一例を示したフロー図である。 実施例３におけるｐ型ＧａＡｓ層の厚さとｐ型ＧａＰ窓層形成後の化合物半導体基板の反りの矯正値との関係を示した図である。 実施例３におけるｐ型ＧａＡｓ層の厚さと、ｎ型ＧａＰ窓層をエピタキシャル成長させた後のウエーハの反りの矯正値との関係を示した図である。

以下、本発明について図１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バッファ層１２と、発光層１３と、ｐ型ＧａＰ層１４ａおよびｐ型ＧａＰエピタキシャル層１４ｂからなるｐ型ＧａＰ窓層１４と、ＧａＡｓ層１５とがこの順で形成されたものである。
そして、ＧａＡｓ層１５の厚さが、１μｍ以上となっているものである。

また、発光層１３として、各々ＡｌＧａＩｎＰよりなる、厚さ０．８〜４μｍ程度のｎ型クラッド層１３ａ、厚さ０．４〜２μｍ程度の活性層１３ｂ及び厚さ０．８〜４μｍ程度のｐ型クラッド層１３ｃとを有する。尚、この４元からなる発光層において、ｐ型クラッド層１３ｃ側の表面が第一主面、ｎ型クラッド層１３ａ側の表面が第二主面である。

このように、厚さ１μｍ以上のＧａＡｓ層が、ＧａＡｓ基板と反対側の表面に形成されている化合物半導体基板は、厚さが１μｍ以上と比較的厚膜のＧａＡｓ層の存在によって、ＧａＡｓ層を有さない従来の構造の化合物半導体基板に比べて反りの絶対量が小さくなっているものである。すなわち、基板が割れにくく、また化合物半導体基板の扱いが容易であり、例えば発光素子等を製造することが容易で、かつ製造コストを下げることができる化合物半導体基板となる。

このような本発明の化合物半導体基板は、以下に例示するような化合物半導体基板の製造方法によって製造することができるが、もちろんこれに限定されるものではない。ここで、図２は、本発明の化合物半導体基板の製造方法の一例を示したフロー図である。

まず、図２の工程１に示すように、ｎ型のＧａＡｓ基板を準備し、これを洗浄する。

そして図２の工程２に示すように、例えばＭＯＶＰＥリアクターにｎ型ＧａＡｓ基板を配設する。
そしてＧａＡｓ基板上に、ＧａやＡｓ等を含んだ原料ガスを供給しながら、ｎ型のＧａＡｓバッファ層をエピタキシャル成長させる。

次いで、図２の工程３に示すように、４元発光層として各々ＡｌＧａＩｎＰよりなる、厚さ０．８〜４μｍ程度のｎ型クラッド層、厚さ０．４〜２μｍ程度の活性層及び厚さ０．８〜４μｍ程度のｐ型クラッド層を、この順序にて、例えばＭＯＶＰＥ法によりエピタキシャル成長させる。

さらに、図２の工程４に示すように、ｐ型クラッド層上に厚さ０．０５〜１μｍ程度のｐ型ＧａＰ層をエピタキシャル成長させて、ＭＯエピタキシャル基板を得る。尚、４元発光層は、ｐ型クラッド層側の表面、つまりＧａＡｓ基板と反対側の表面が第一主面である。
なお、この各層のエピタキシャル層を形成するための製造条件は、求めるエピタキシャル層の厚さや組成比によって適宜選択することができる。

ここで、上記各層のエピタキシャル成長で使用するＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ（インジウム）、Ｐ（リン）、Ａｓ（砒素）の各成分源となる原料ガスとしては、例えば以下のようなものを使用することができる。

・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（ＰＨ_３）など、
・Ａｓ源ガス：アルシン（ＡｓＨ_３）など。
また、ドーパントガスとしては、例えば以下のようなものを使用することができる。
（ｐ型ドーパント）
・Ｍｇ源：ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（Ｃｐ_２Ｍｇ）など、
・Ｚｎ源：ジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）、ジエチル亜鉛（ＤＥＺｎ）など。
（ｎ型ドーパント）
・Ｓｉ源：モノシランなどのシリコン水素化物など。

次に、図２の工程５に示すように、ＭＯエピタキシャル基板上に厚さ５〜２００μｍ程度の厚いｐ型ＧａＰエピタキシャル層を、例えばＨＶＰＥ法で気相成長することによって、ｐ型ＧａＰ窓層を形成する。
このＨＶＰＥ法によるｐ型ＧａＰ層の形成は、具体的には、まず容器内にてＩＩＩ族元素である金属Ｇａを所定の温度に加熱保持しながら、その金属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Ｈ_２ガスとともに基板上に供給する。
Ｇａ（液体）＋ＨＣｌ（気体）→ＧａＣｌ（気体）＋１／２Ｈ_２（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、ＰＨ_３をキャリアガスであるＨ_２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（ジメチル亜鉛）の形で供給して、下記（２）式のような反応によりｐ型ＧａＰエピタキシャル層を形成するものである。
ＧａＣｌ（気体）＋ＰＨ_３（気体）→ＧａＰ（固体）＋ＨＣｌ（気体）＋Ｈ_２（気体）‥‥（２）

図２の工程５の終了後、図２の工程６に示すように、ｐ型ＧａＰ窓層の表面上に厚さ１μｍ以上、より好ましくは５μｍ以上のＧａＡｓ層を気相成長させることによって、化合物半導体基板を作製する。
このＧａＡｓ層の気相成長方法は、特に限定されず、例えば上述のＨＶＰＥ法によって気相成長させても良いし、ＭＯＶＰＥ法によって気相成長させても良い。また、その厚さを１μｍ以上とすること以外の物性は特に限定されず、作製する化合物半導体基板の特性に合わせて適宜選択することができる。

このように、気相成長させるＧａＡｓ層の厚さを１μｍ以上、特には５μｍ以上とすることによって、作製した化合物半導体基板の反りを従来に比べて大幅に低減することができ、作製した化合物半導体基板が割れる危険をより少なくすることができる。これによって、歩留りの向上とそれに伴う製造コストの低減、更にはハンドリングが容易な化合物半導体基板を製造することができる。

そして、その後に、図２の工程７に示すように、後のＧａＡｓ基板の除去に用いられる酸からｐ型ＧａＰ窓層およびＧａＡｓ層を保護するために、ＧａＡｓ層の表面に耐酸性の保護膜、例えばレジスト膜を形成することができる。
このレジスト膜の形成は任意であるが、後にＧａＡｓ基板をエッチング除去する場合は形成するほうが良い。これによってＧａＡｓ層の厚さがＧａＡｓ基板を除去する際に減少することを防ぐことができるので、反り抑制というＧａＡｓ層の果たす効果が低減することを抑制することができる。そして、化合物半導体基板が割れる可能性を低いまま保つことができる。また、高品質なｐ型ＧａＰ窓層を有する化合物半導体基板が得られるという効果も奏するものとすることができる。
なお、この保護膜は、耐酸性であれば特に限定されないが、特定の溶媒（例えば鉱油など）に溶解した石油系レジン（商品名：プロテクトリキッド（日化精工株式会社製）等）を例えばスピンコート法で塗布することで形成することができる。

そして、図２の工程８に示すように、ＧａＡｓ基板、ＧａＡｓバッファ層を、例えば硫酸・過酸化水素等の薬液によりエッチングして除去することができる。
尚、エッチング除去により露出するＡｌＧａＩｎＰの４元発光層の表面が、第二主面である。

そして、図２の工程９に示すように、先の図２の工程７において保護膜を形成している場合は、保護膜を除去することができる。
この工程は、先に形成した保護膜を効率的に除去し、またＧａＰやＡｌＧａＩｎＰをエッチングしないものとすることが望ましい。

次に、図２の工程１０に示すように、例えばＨＶＰＥ反応機に、４元発光層およびｐ型ＧａＰ窓層からなる基板を導入し、第二主面上に、４元発光層で発光した光の取り出し用のｎ型ＧａＰ窓層を３０〜２００μｍ程度成長させることができる。
なお、光吸収層となるＧａＡｓ基板をエッチング等により除去した面には、ｎ型ＧａＰ窓層を気相成長させる代わりに、ｎ型ＧａＰ基板等の透明半導体基板を貼り合わせても良い。

具体的には、汎用接合装置（ボンダー）を用いて、ＧａＡｓ単結晶基板の除去により露出した第二主面側に、透明半導体基板として別途用意したｎ型ＧａＰ基板（厚さ３０〜２００μｍ程度）の主表面を重ね合わせ、温度と圧力をかけて圧迫することで貼り合わせる。尚、接合前に４元発光層の第二主面及びｎ型ＧａＰ基板の接合面を洗浄・乾燥しておくことができる。次に、例えば５００℃以上９００℃以下の温度の接合熱処理を行う。この際、貼り合わせた基板を加圧することができる。

このように、光を吸収するＧａＡｓ基板を除去し、除去した側にもｎ型のＧａＰ窓層を形成することによって、より光取り出し効率の高い高輝度発光素子を製造することができる化合物半導体基板とすることができる。

そして、図２の工程１１に示すように、表面回り込みＧａＰ層及びＧａＡｓ層を、研磨などの方法によって除去することができる。

更に、このような化合物半導体基板を切断し、チップに加工して、電極付け等を行うことによって、高輝度の発光素子を製造することができる。

なお、上述の例示では、極めて発光輝度の高い発光素子を得るためのＡｌＧａＩｎＰからなる４元発光層をエピタキシャル成長させる場合について説明したが、本発明はこれに限られず、ＧａＡｓ基板上に発光層を形成し、その上にＧａＰ窓層を形成する化合物半導体基板を製造する際に適用することができる。

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）
ＧａＡｓ基板２８０μｍ、ＡｌＧａＩｎＰ発光層１０μｍ、ｐ型ＧａＰ窓層１００μｍ、ＧａＡｓ層１μｍとの構造の化合物半導体基板を１０枚作製した。そして、反りの大きさを評価した。

なお、例えば特開２００７−１８４３５２号公報に示すように、基板のオリエンテーションフラット（ＯＦ）に垂直と平行な方向で、ともにｐ型ＧａＰ窓層側に凸型の反りの場合は、プラスの反りとし、どちらか絶対値の大きい方を代表値と定義した。
また、ＯＦに垂直と平行な方向で、ともにｐ型ＧａＰ窓層側に凹型の反りの場合は、マイナスの反りとし、どちらか絶対値の大きい方を代表値と定義した。
更に、ＯＦに垂直と平行な方向で、反りの凹凸が異なる鞍型の場合は、その絶対値の差を反りとし、凸型の反りの絶対値の方が大きい場合はプラスの反り、凹型の反りの絶対値の方が大きい場合はマイナスの反りと定義した。

そして、それらの化合物半導体基板のＧａＡｓ基板を除去し、除去した面にｎ型ＧａＰ窓層を１５０μｍ気相成長させた、すなわちｎ型ＧａＰ窓層１５０μｍ、ＡｌＧａＩｎＰ発光層１０μｍ、ｐ型ＧａＰ窓層１００μｍ、ＧａＡｓ層１μｍとの構造のエピタキシャルウエーハを１０枚作製した。そして同様に反りの絶対量を評価した。
その結果を表１に示す。

（実施例２）
実施例１において、ＧａＡｓ層の厚さを５μｍとした以外は同様の条件で１０枚の化合物半導体基板を作製し、そして同様の条件でエピタキシャルウエーハを１０枚作製した。そして同様に反りの量を評価した。その結果を表１に示す。

（比較例１）
実施例１において、ＧａＡｓ層を形成しなかった以外は同様の条件で１０枚の化合物半導体基板を作製し、そして同様の条件でエピタキシャルウエーハを１０枚作製した。そして同様に反りの量を評価した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１では、ｐ型ＧａＰ窓層形成後では反りが４００μｍ〜６００μｍ、ｎ型ＧａＰ窓層形成後では反りが−５００μｍ〜−７００μｍであり、ウエーハ１０枚のうち、割れた枚数は０枚であった。
そして、実施例２では、ｐ型ＧａＰ窓層形成後では反りが３００μｍ〜５００μｍ、ｎ型ＧａＰ窓層形成後では反りが−３００μｍ〜−５００μｍであり、実施例１に比べて反りの絶対量が小さくなった。そしてこれらのウエーハ１０枚のうち、割れた枚数は０枚であった。

これに対し、比較例１では、ｐ型ＧａＰ窓層形成後では反りが４５０μｍ〜６５０μｍ、ｎ型ＧａＰ窓層形成後では反りが−７００μｍ〜−９００μｍであり、実施例１，２に比べ反りの絶対量が大きかった。更に、ウエーハ１０枚のうち、割れた枚数は６枚であり、割れ率は６０％程度と、実施例１，２の０％に比べ非常に高かった。

（実施例３）
ＧａＡｓ層の厚さを１μｍ、２μｍ、４μｍ、５μｍ、６μｍ、８μｍ、１０μｍ、１２μｍ、１８μｍ、２０μｍと変化させて、ＧａＡｓ基板２８０μｍ、ＡｌＧａＩｎＰ発光層１０μｍ、ｐ型ＧａＰ窓層１００μｍ、ＧａＡｓ層との構造の化合物半導体基板を作製した。そして、反りの絶対量の大きさを評価した。更にｎ型ＧａＰ窓層１５０μｍ、ＡｌＧａＩｎＰ発光層１０μｍ、ｐ型ＧａＰ窓層１００μｍ、ＧａＡｓ層との構造のエピタキシャルウエーハを作製して、反りの絶対量を評価した。その結果を図３，４に示す。
なお、図３はｐ型ＧａＡｓ層の厚さとｐ型ＧａＰ窓層形成後の化合物半導体基板の反りの矯正値との関係を示した図、図４はｐ型ＧａＡｓ層の厚さと、ｎ型ＧａＰ窓層をエピタキシャル成長させた後のウエーハの反りの矯正値との関係を示した図である。

図３に示すように、ＧａＡｓ層を１μｍ以上成長させると、顕著な反り矯正効果が確認された。また、５μｍを超える厚さとしても、反り矯正効果が飽和し、厚くすればする程反りが抑制されるわけではないことが判った。
図４に示すように、図３のｐ型ＧａＰ窓層形成後の反りの矯正量と同様に、ｎ型ＧａＰ窓層形成後も、ＧａＡｓ層を１μｍ以上成長させることによって反りを矯正でき、５μｍ程度成長させると、反りを強力に抑制できることが判った。また、図３と同様に、ＧａＡｓ層の厚さと反りの矯正量は飽和傾向にあることが判った。
すなわち、ＧａＡｓ層の上限は、エピタキシャル成長させる時間も考慮すると、１０μｍ程度がよいことが判った。

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。

１０…化合物半導体基板、
１１…ＧａＡｓ基板、 １２…ＧａＡｓバッファ層、 １３…発光層、 １３ａ…ｎ型クラッド層、 １３ｂ…活性層、 １３ｃ…ｐ型クラッド層、 １４…ｐ型ＧａＰ窓層、 １４ａ…ｐ型ＧａＰ層、 １４ｂ…ｐ型ＧａＰエピタキシャル層、 １５…ＧａＡｓ層。

Claims (4)

1. 少なくとも、ＧａＡｓ基板上に発光層をエピタキシャル成長させる工程と、該発光層の前記ＧａＡｓ基板と反対側となる片方の主表面（第一主面）にｐ型ＧａＰ窓層を気相成長させる工程とを有する化合物半導体基板の製造方法において、
   前記ｐ型ＧａＰ窓層を気相成長させた後に、該ｐ型ＧａＰ窓層の表面上に厚さ５μｍ以上のＧａＡｓ層を気相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。
2. 前記発光層として、ＡｌＧａＩｎＰからなる４元発光層をエピタキシャル成長させることを特徴とする請求項１に記載の化合物半導体基板の製造方法。
3. 前記ＧａＡｓ層を気相成長させた後に、該ＧａＡｓ層上に保護膜を形成し、その後前記ＧａＡｓ基板のみをエッチング除去して、その後該ＧａＡｓ基板が除去された側の前記発光層の主表面（第二主面）にＧａＰ窓層を形成する工程を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の化合物半導体基板の製造方法。
4. 少なくとも、ＧａＡｓ基板上に、発光層と、ｐ型ＧａＰ窓層と、ＧａＡｓ層とがこの順で形成された化合物半導体基板であって、
   前記ＧａＡｓ層の厚さが、５μｍ以上であることを特徴とする化合物半導体基板。
   

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