JP5976323B2 - 発光ダイオードの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードの製造方法に関する。

半導体発光素子の一種である発光ダイオード（ＬＥＤ）は、電流が加わるとｐ、ｎ型半導体の貼り合せ部分での電子と正孔の再結合により、多様な色の光を発生させることができる半導体装置である。このような発光ダイオードは、フィラメントに基づく発光装置に比べ長い寿命、低い電源、優れた初期駆動特性、高い振動抵抗といった様々な長所を有し、その需要が増加し続けている。特に、最近は、青色系列の短波長の領域で発光が可能なＩＩＩ族窒化物半導体が脚光を浴びている。

このようなＩＩＩ族窒化物半導体を用いた発光素子を構成する窒化物半導体単結晶は、サファイアやＳｉＣ基板などを利用してその上に成長し、このような半導体単結晶を成長させるために一般的にガス状態である複数のソースを基板上に蒸着させる気相蒸着工程を利用する。半導体発光素子の発光性能や信頼性は、これを構成する半導体層の品質（結晶性、ドーピングの均一性など）から大きな影響を受け、この場合、半導体層の品質は半導体薄膜を成長させるのに使用される気相蒸着装置の構造、内部環境、使用条件などにより左右され得る。よって、当技術分野においては、気相蒸着工程を最適化して半導体層の品質を改善させることができる方案が求められる。

本発明の一目的は、発光ダイオードを製造するに当たり、工程システムの運用能力と生産性の向上とともに、これにより得られた半導体層の結晶性を向上させることにある。

上記の目的を達成するために、本発明の一側面は、第１反応チャンバにおいて、基板上に第１導電型窒化物半導体層及びアンドープの窒化物半導体層を順次に成長させる段階と、上記第１導電型窒化物半導体層及びアンドープの窒化物半導体層が成長した状態の上記基板を第２反応チャンバに移送する段階と、上記第２反応チャンバにおいて、上記アンドープの窒化物半導体層上に追加の第１導電型窒化物半導体層を成長させる段階と、上記追加の第１導電型窒化物半導体層上に活性層を成長させる段階と、上記活性層上に第２導電型窒化物半導体層を成長させる段階と、を含む発光ダイオードの製造方法を提供することにある。

本発明の一実施例において、上記基板を第２反応チャンバに移送する段階で、上記アンドープの窒化物半導体層の少なくとも一部は大気に露出されることができる。

本発明の一実施例において、上記活性層及び第２導電型窒化物半導体層を成長させる段階は、上記第２反応チャンバで行われることができる。

本発明の一実施例において、上記活性層を成長させる段階は、上記第２反応チャンバで行われ、上記第２導電型窒化物半導体層を成長させる段階は、上記活性層が成長した状態の上記基板を第３反応チャンバに移送する段階と、上記第３反応チャンバにおいて、上記活性層上に上記第２導電型窒化物半導体層を成長させる段階とを含むことができる。

本発明の一実施例において、上記活性層を成長させる段階は、上記追加の第１導電型窒化物半導体層が成長した状態の上記基板を第３反応チャンバに移送する段階と、上記第３反応チャンバにおいて、上記追加の第１導電型窒化物半導体層上に上記活性層を成長させる段階とを含むことができる。

この場合、上記第２導電型窒化物半導体層を成長させる段階は、上記活性層が成長した状態の上記基板を第４反応チャンバに移送する段階と、上記第４反応チャンバにおいて、上記活性層上に上記第２導電型窒化物半導体層を成長させる段階とを含むことができる。

本発明の一実施例において、上記第１導電型窒化物半導体層及び上記追加の第１導電型窒化物半導体層は互いに同じ物質からなることができる。

本発明の一実施例において、上記第１導電型窒化物半導体層及び上記追加の第１導電型窒化物半導体層はｎ型ＧａＮからなり、上記アンドープの窒化物半導体層はアンドープのＧａＮからなることができる。

一方、本発明の他の側面は、第１及び第２導電型窒化物半導体層と、上記第１及び第２導電型窒化物半導体層の間に挟まれた活性層と、上記第１導電型窒化物半導体層が厚さ方向に２つの領域に分けられるように上記第１導電型窒化物半導体層の間に挟まれたアンドープの窒化物半導体層と、を含む発光ダイオードを提供することにある。

本発明の一実施例において、上記第１導電型窒化物半導体層はｎ型ＧａＮからなり、上記アンドープの窒化物半導体層はアンドープのＧａＮからなることができる。

本発明の一実施形態の場合、発光ダイオードを製造するに当たり、工程システムの運用能力と生産性の向上とともに、これにより得られた半導体層の結晶性も向上できる。特に、２つ以上の反応チャンバを用いて発光ダイオードを成す半導体層を成長させる場合、基板の移送過程で半導体層に及ぼす汚染を最小限に抑えることができる。

本発明の一実施形態による発光ダイオードの製造方法を概略的に示す工程別断面図である。 本発明の一実施形態による発光ダイオードの製造方法を概略的に示す工程別断面図である。 本発明の一実施形態による発光ダイオードの製造方法を概略的に示す工程別断面図である。 本発明の一実施形態による発光ダイオードの製造方法を概略的に示す工程別断面図である。 本発明の一実施形態による発光ダイオードの製造方法を概略的に示す工程別断面図である。 本発明の他の実施形態による発光ダイオードの製造方法を概略的に示した断面図である。 本発明の他の実施形態による発光ダイオードの製造方法を概略的に示した断面図である。

以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。

しかし、本発明の実施形態は、様々な他の形態に変形されることができ、本発明の範囲は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また、本発明の実施形態は当技術分野において平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。従って、図面における要素の形状及び大きさなどは、より明確な説明のために誇張されることができ、図面において同一の符号で表示される要素は同一の要素である。

図１から図５は、本発明の一実施形態による発光ダイオードの製造方法を概略的に示す工程別断面図である。まず、図１に示したように、基板１０１上に第１導電型窒化物半導体層１０２を成長させる。本段階では、第１反応チャンバ２０１で行われ、第１導電型窒化物半導体層１０２の成長は有機金属化学蒸着（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＭＯＣＶＤ）、ハイドライド気相エピタキシー（Ｈｙｄｒｉｄｅ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ，ＨＶＰＥ）、分子線エピタキシー（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ，ＭＢＥ）、原子層蒸着（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，ＡＬＤ）などの工程により行われることができる。この場合、具体的には示していないが、第１反応チャンバ２０１は、基板１０１が配置されるサセプタやソースガスを導入させるためのガス流路などを備える構造として理解することができる。

基板１０１は半導体成長用基板として提供されるが、例えば、サファイア、ＳｉＣ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、ＭｇＯ、ＬｉＡｌＯ_２、ＬｉＧａＯ_２、ＧａＮ、Ｓｉなどの物質からなる基板を使用することができる。この場合、サファイアは六角−ロンボ型（Ｈｅｘａ−Ｒｈｏｍｂｏ Ｒ３ｃ）の対称性を有する結晶体で、ｃ軸及びａ側方向の格子定数がそれぞれ１３．００１Åと４．７５８Åであり、Ｃ（０００１）面、Ａ（１１２０）面、Ｒ（１１０２）面などを有する。この場合、上記Ｃ面は窒化物薄膜の成長が比較的容易であり、高温で安定するため窒化物成長用基板として主に使用される。第１導電型窒化物半導体層１０２はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体からなることができ、これに制限されないが、Ｓｉなどのようなｎ型不純物がドーピングされ得る。具体的な一例として、第１導電型窒化物半導体層１０２はｎ型ＧａＮからなることができる。一方、特に示していないが、第１導電型窒化物半導体層１０２の成長前にアンドープの半導体層などからなるバッファ層を成長させて、第１導電型窒化物半導体層１０２の結晶性の低下を最小限に抑えることができる。

その次、図２に示したように、第１導電型窒化物半導体層１０２上にアンドープの窒化物半導体層１０３を成長させるが、本段階も第１反応チャンバ２０１で行われる。本実施形態では、２つ以上の反応チャンバを用いて発光ダイオードを構成する半導体層を成長させるが、反応チャンバ間に基板を移送する過程において第１導電型窒化物半導体層１０２が大気中に露出されると、表面に意図しない汚染が発生し品質が低下することがある。例えば、ＳｉドーピングされたＧａＮが大気中に露出される場合、表面にＳｉ酸化物が生成されることがある。本実施形態では、後述するように、基板１０１が移送された後、追加の第１導電型窒化物半導体層（図３において１０４）を成長させるとともに、第１反応チャンバ２０１においてアンドープの窒化物半導体層１０３を第１導電型半導体層１０２上に成長させる。これにより、基板１０１を移送する過程において第１導電型窒化物半導体層１０２を保護することができ、意図しない酸化物の生成を最小限に抑えることができる。この場合、具体的な一例として、アンドープの窒化物半導体層１０３はアンドープのＧａＮからなることができる。一方、本明細書における「アンドープ」とは、固有のドーピング濃度を有する窒化物半導体に故意にドーピングしない状態を意味する。

次いで、図３に示したように、第２反応チャンバ２０２においてアンドープの窒化物半導体層１０３上に追加の第１導電型窒化物半導体層１０４を成長させる。このため、第１導電型窒化物半導体層１０２及びアンドープの窒化物半導体層１０３が成長した状態の基板１０１を第１反応チャンバ２０１から第２反応チャンバ２０２に移送する。基板１０１の移送方法は、特に制限されないが、人為的移送又はロードロックチャンバによる移送などの方法を用いてもよいが、本実施形態で提案する方法は、大気に露出された状態で移送される場合に特に有用である。この場合、上述したように、アンドープの窒化物半導体層１０３によって、移送過程における大気露出による第１導電型窒化物半導体層１０２の損傷を最小限に抑えることができる。追加の第１導電型窒化物半導体層１０４はＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体からなることができ、これに制限されないが、Ｓｉなどのようなｎ型不純物がドーピングされ得る。また、追加の第１導電型窒化物半導体層１０４は第１導電型窒化物半導体層１０２と同じ物質、例えば、ｎ型ＧａＮからなることができる。

一方、本実施形態の場合、発光構造物を成す半導体層を成長させるに当たり、２つ以上の反応チャンバを用いることで、成長過程で不良が発生する時、工程上に発生する費用と時間の負担を低減できる。これを具体的に説明すると、発光構造物を構成する半導体層、例えば、第１及び導電型第２半導体層１０１、１０６と活性層１０５を第１及び第２反応チャンバ２０１、２０２でそれぞれ一度に成長させる場合、相対的に長時間に亘って各チャンバ２０１、２０２が作動するため、不良の発生時に要した工程時間とソースガスなどの負担が本実施形態での分割成長方式よりも相対的に高い。また、１つの蒸着設備において相対的に短時間の間に１回の成長工程が終わる可能性があるため、後続の成長工程前まで適用できる設備の維持補修段階がより弾力的に行われることができる。この場合、第１及び第２反応チャンバ２０１、２０２は互いに同じ蒸着工程を用いてもよいが、互いに異なる蒸着工程装置であってもよい。即ち、第１及び第２反応チャンバ２０１、２０２がいずれもＭＯＣＶＤ装備であってもよいが、第１反応チャンバ２０１がＨＶＰＥ装備であり、第２反応チャンバ２０２がＭＯＣＶＤ装備であってもよい。また、同じＭＯＣＶＤ装備であっても、その構造を変えることができ、例えば、第１反応チャンバ２０１は反応ガスがサセプタの垂直上方から注入される装備であってもよく、第２反応チャンバ２０２はサセプタに平行な方向に注入される装備であってもよい。

このような工程上の長所とともに、発光構造物を構成する各半導体層は成長温度とソースガス雰囲気などの条件が相違するため、複数の反応チャンバ２０１、２０２を各半導体層の成長条件に合わせて維持することで設備の管理が容易になり、装置の劣化を減少させることができる。また、成長条件が一定に維持された反応チャンバ２０１、２０２において、発光構造物を分けて成長させる場合、各半導体層の結晶品質やドーピング特性なども優れたものになる。即ち、第１導電型窒化物半導体層１０２が、例えばｎ型ＧａＮを含んでなるとすると、約１０００〜１３００℃の温度で成長し、第２導電型窒化物半導体層１０６がｐ型ＧａＮを含んでなるとすると、相対的に低い成長温度である約７００〜１１００℃で成長するようになるため、成長温度とソースガス雰囲気が第２導電型窒化物半導体層１０６に適合する第２反応チャンバ２０２を用いることで、第２導電型窒化物半導体層１０６の品質が向上する。但し、本実施形態では、第２反応チャンバ２０２において追加の第１導電型窒化物半導体層１０４を成長させるという点から、第１及び第２反応チャンバ２０１、２０２の成長条件を一定に維持しにくいこともあるため、後述する他の実施例のように、追加の反応チャンバを用いることができる。

次いで、図４に示したように、追加の第１導電型窒化物半導体層１０４上に活性層１０５及び第２導電型窒化物半導体層１０６を成長させる。本段階では、基板１０１を移送することなく、第２反応チャンバ２０２で行われることができるが、後述するように、反応チャンバの内部の状態を各半導体層にさらに適合するように維持するために他のチャンバで行われてもよい。活性層１０５は第１導電型窒化物半導体層１０２、１０４と第２導電型窒化物半導体層１０６の間に配置され、電子と正孔の再結合により所定のエネルギーを有する光を放出し、量子井戸層と量子障壁層が交互に積層された多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなることができる。多重量子井戸構造の場合、Ａｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）からなる多層構造、例えば、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造が使用される。この場合、活性層１０５も、第１導電型窒化物半導体層１０２、１０４と同様にＭＯＣＶＤ工程などを用いて成長させることができる。また、第２導電型窒化物半導体層１０６は、ｐ型窒化物半導体、例えばＭｇやＺｎなどでドーピングされたＡｌ_ｘＩｎ_ｙＧａ_{（１−ｘ−ｙ）}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｘ＋ｙ≦１）半導体からなることができる。具体的な一例として、第２導電型窒化物半導体層１０６はｐ型ＧａＮからなることができる。

また、図５に示したように、第２導電型窒化物半導体層１０６の成長が完了した後、発光構造物の一部を除去することにより露出した第１導電型窒化物半導体層１０２の一面と第２導電型窒化物半導体層１０６上に第１及び第２電極１０７、１０８を形成する。第１及び第２電極１０７、１０８は、光反射性能又はオーミックコンタクト性能などを考慮し、当技術分野において公知の物質を蒸着、スパッタリングなどの工程を用いて形成できる。但し、図５に図示された電極１０７、１０８の形態は単なる例示にすぎず、電極は発光構造物の多様な位置に形成され得る。例えば、発光構造物のエッチングを別途に行わずに基板１０１を除去した後、これにより露出した第１導電型窒化物半導体層１０２の表面に電極を形成してもよい。このような方式で完成された発光ダイオードの場合、第１導電型窒化物半導体層１０２、１０４が厚さ方向に２つの領域１０２、１０４に分かれるよう、その間にアンドープの窒化物半導体層１０３が挟まれた構造を有する。

一方、前述の実施形態では、２つの反応チャンバ２０１、２０２を使用して半導体層を分割成長させたが、必要に応じて、反応チャンバの個数を多くしてもよい。図６及び図７は、それぞれ本発明の他の実施形態による発光ダイオードの製造方法を概略的に示した断面図である。まず、前述の実施形態とは異なり、図６の実施形態では、第２反応チャンバ２０２において追加の第１導電型窒化物半導体層１０４及び活性層１０５を成長させた後、基板１０１を第３反応チャンバ２０３に移送する。この場合、移送過程で活性層１０５が損傷されないように真空状態のロードロックチャンバを用いることが好ましい。基板１０１が第３反応チャンバ２０３に移送された後は、活性層１０５上に追加の第２導電型窒化物半導体層１０６を成長させる。本実施形態のように、第２導電型窒化物半導体層１０６を別途の専用チャンバ２０３で成長させることで第２反応チャンバ２０３を第２導電型窒化物半導体層１０６の成長に適合する条件にて維持でき、第２導電型窒化物半導体層１０６の結晶性が向上するとともに、工程の効率性も向上する。

さらに、図７の実施形態のように、活性層１０５も専用チャンバで成長させることができ、これによって、発光効率に大きな影響を及ぼす活性層１０５の結晶の品質向上が期待できる。即ち、第２反応チャンバ２０２において追加の第１導電型窒化物半導体層１０４を成長させた後、基板１０１を第３反応チャンバ２０３に移送して活性層１０５を成長させ、さらに、基板１０１を第４反応チャンバ２０４に移送して第２導電型窒化物半導体層１０６を成長させてもよい。但し、図７の実施形態では、基板１０１を第３反応チャンバ２０３に移送する過程において追加の第１導電型窒化物半導体層１０４が損傷されないように真空状態のロードロックチャンバを用いることが好ましい。

本発明は、上述した実施形態及び添付された図面によって限定されるものではなく、添付された請求範囲によって定められる。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内で多様な形態の置換、変形及び変更が可能であるということは当技術分野の通常の知識を有する者に自明であり、これも本発明の範囲に属する。

１０１：基板
１０２：第１導電型窒化物半導体層
１０３：アンドープの窒化物半導体層
１０４：追加の第１導電型窒化物半導体層
１０５：活性層
１０６：第２導電型窒化物半導体層
１０７、１０８：第１及び第２電極
２０１：第１反応チャンバ
２０２：第２反応チャンバ
２０３：第３反応チャンバ
２０４：第４反応チャンバ

Claims (8)

1. 第１反応チャンバにおいて、基板上に第１導電型窒化物半導体層及びアンドープの窒化物半導体層を順次に成長させる段階と、
   前記第１導電型窒化物半導体層及びアンドープの窒化物半導体層が成長した状態の前記基板を第２反応チャンバに移送する段階と、
   前記第２反応チャンバにおいて、前記アンドープの窒化物半導体層上に追加の第１導電型窒化物半導体層を成長させる段階と、
   前記追加の第１導電型窒化物半導体層上に活性層を成長させる段階と、
   前記活性層上に第２導電型窒化物半導体層を成長させる段階と、を有することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
2. 前記基板を第２反応チャンバに移送する段階で、前記アンドープの窒化物半導体層の少なくとも一部は大気に露出されることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオードの製造方法。
3. 前記活性層を成長させる段階及び前記第２導電型窒化物半導体層を成長させる段階は、前記第２反応チャンバで行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオードの製造方法。
4. 前記活性層を成長させる段階は、前記第２反応チャンバで行われ、
   前記第２導電型窒化物半導体層を成長させる段階は、
   前記活性層が成長した状態の前記基板を第３反応チャンバに移送する段階と、
   前記第３反応チャンバにおいて、前記活性層上に前記第２導電型窒化物半導体層を成長させる段階と、を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオードの製造方法。
5. 前記活性層を成長させる段階は、
   前記追加の第１導電型窒化物半導体層が成長した状態の前記基板を第３反応チャンバに移送する段階と、
   前記第３反応チャンバにおいて、前記追加の第１導電型窒化物半導体層上に前記活性層を成長させる段階と、を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオードの製造方法。
6. 前記第２導電型窒化物半導体層を成長させる段階は、
   前記活性層が成長した状態の前記基板を第４反応チャンバに移送する段階と、
   前記第４反応チャンバにおいて、前記活性層上に前記第２導電型窒化物半導体層を成長させる段階と、を含むことを特徴とする請求項５に記載の発光ダイオードの製造方法。
7. 前記第１導電型窒化物半導体層及び前記追加の第１導電型窒化物半導体層は、互いに同じ物質からなることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
8. 前記第１導電型窒化物半導体層及び前記追加の第１導電型窒化物半導体層は、ｎ型ＧａＮからなり、
   前記アンドープの窒化物半導体層は、アンドープのＧａＮからなることを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の発光ダイオードの製造方法。
   

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