JPH03194976A - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は半導体発光素子の製造方法に関し、特に、その
発光効率を向上させる技術に関するものである。

従来技術 光通信の光源や表示装置の光源などにおし）で半導体レ
ーザや発光ダイオードなどの半導体発光素子が多用され
ている。かかる半導体発光素子の製造に際しては、有機
金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ　　：Ｍｅｔａｌ　　Ｏ
ｒｇａｎｉｃ　　Ｃｈｅｓ＋１ｃａｌ　　Ｖａｐｏｒ　
　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　　）　　法を用いて、ｐ型化
合物半導体層、ｎ型化合物半導体層などの複数種類の化
合物半導体層が基板上に順次積層されることが望まれる
。上記有機金属化学気相成長法を用いれば、比較的大き
な面積を均一に成長させた薄い成長層を得ることができ
、高い量産性が得られるからである。

発明が解決すべき課題 ところで、上記のように有機金属化学気相成長法を用い
て製造された半導体発光素子は、たとえば液相エピタキ
シー（ＬＰＥ；Ｌｉｑｕｉｄ　Ｐｈａｓｅ　Ｅｐｉｔａ
ｘｙ）法を用いて各化合物半導体層が成長させられた場
合に比較して、一般に、前記ｐ型化合物半導体層とｎ型
化合物半導体層との境界からの発光、或いはそれ等ｐ型
化合物半導体層とｎ型化合物半導体層との間に設けられ
た活性層からの発光の発光効率が充分に得られない欠点
があった。

本発明者等は、上記の欠点を解消しようとして種々検討
を重ねた結果、上記液相エピタキシー法においては平衡
状態に近い状態で結晶が成長させられるのに対し、有機
金属化学気相成長法においては非平衡状態で結晶が成長
させられることから格子欠陥が発生し易く、特に前記ｎ
型化合物半導体層とｎ型化合物半導体層との境界部、或
いは前記活性層における格子欠陥が発光効率を低下させ
る原因となっていると推論した。そして、上記活性層や
これに隣接する化合物半導体層に熱歪を積極的に与える
と、その活性層などの転移が容易に移動するかもしれな
いと考えて、有機金属化学気相成長法により積層された
化合物半導体基板に所定の熱処理を施すと、半導体発光
素子の発光効率が数十％も高められるという事実を見出
した。本発明はかかる知見に基づいて為されたものであ
る。

課題を解決するための手段 すなわち、本発明の要旨とするところは、有機金属化学
気相成長法によって基板上に積層されたｎ型化合物半導
体層、ｎ型化合物半導体層を含む半導体発光素子の製造
方法であって、前記化合物半導体層の脆性遷移温度より
高い温度を用いて熱処理を施すことにある。

作用および発明の効果 このようにすれば、半導体発光素子の発光効率が数十％
も高められる。前記化合物半導体の脆性遷移温度より高
い温度の熱処理においては、化合物半導体の脆性が低く
なる代わりに靭性が高められて転移の移動が容易な状態
となるので、熱歪や、上記活性層とこれに隣接する化合
物半導体層との熱膨張差に起因する歪が積極的に与えら
れることにより、前記Ｐ型化合物半導体層およびｎ型化
合物半導体層、或いはそれ等に挟まれた前記活性層内な
どの格子欠陥が少なくなると考えられるのである。

前記化合物半導体としては、好適には、ガリウム−砒素
（Ｃ；ａＡｓ）系、ガリウム−燐（ＧａＰ）系、インジ
ウム−ガリウム−砒素（ＩｎＧａＡｓ）系、インジウム
−ガリウム−アルミニウム（ＩｎＧａＡｆ）系などが用
いられる。

また、前記熱処理は、ガリウム−砒素系化合物半導体に
対しては、好適には、４００°Ｃ乃至９００°Ｃの温度
範囲が適用される。なお、上記熱処理において、９００
°Ｃより低い温度範囲が用いられるのは、活性層を挟む
ｐ型半導体内の不純物或いはｎ型半導体内の不純物が実
用に無視できない程拡散してキャリヤ密度が影響され、
発光効率が低下するからである。

また、前記熱処理は、好適には、前記温度範囲内におい
て所定の周期で繰り返し温度が上下させられる。或いは
、前記熱処理は、好適には、その温度範囲の下限より低
い温度を少なくとも２回経験するように所定の周期で繰
り返し温度が上下させられる。

実施例 第１図は、本発明が適用された発光ダイオードｌＯを示
している。３５０　ａｍ程度の厚みであるｎ　−Ｇ　ａ
　Ａ　’ｓ基板１２上には、２μｍ程度の厚みのｎ　　
Ｇ　ａ　ｏ、　＆！ＩＡ　ｌ　ｏ、　ｓｓＡ　ｓクラッ
ド層１４，０゜１μｍ程度の厚みのｐ−ＧａＡｓ活性層
（発光層）１６．４μｍ程度の厚みのｐ　　Ｇａｏ、１
ｓＡｆｆｉｏ、ｚｓＡｓクラッド層１８．および１μｍ
程度の厚みのｐ”−ＧａＡｓコンタクト層２０が、順次
積層されている。そして、上記基板１２の下面にはＡｕ
−Ｚｎのオーミック電極２２が設けられる一方、コンタ
クト層２０にはＡｕ−Ｇｅのオーミック電極２４が設け
られ、それ等の電極２２．２４間に順方向電流が通電さ
れることにより、活性層１６内において光が発生させら
れ、その光が活性層１６と略平行なコンタクト層２０の
表面すなわち光取出し面２６から取り出されるようにな
っている。

上記本実施例の発光ダイオード１０は、第２図に示すＭ
ＯＣＶＤ装置を用いて製造される。図において、反応炉
３０内には原料ガス供給装置３２から所定の原料ガスが
導入されるようになっている。この原料ガス供給装置３
２は、本実施例では入１−Ｇａ−Ａｓ系の半導体結晶を
結晶成長させるための原料ガスを供給するように構成さ
れており、３つの有機金属原料タンク３４ａ、３４ｂ。

３４ｃと、２つの原料ガスタンク３６ａ、３６ｂとを備
えている。タンク３４ａ、３４ｂ、３４ｃには、それぞ
れＴＭＧ〔トリメチルガリウム：Ｇａ　（ＣＨｚ）ｓ　
）　、　ＴＭＡ　（）リメチルアルミニウム：　Ａ　Ｅ
　（ＣＨ３）３　）　、Ｐ型ドーピングのためのＤＥＺ
　（ジエチル亜鉛：　ＺｎＣＣｔＨｓ）ｔ　）が収容さ
れており、キャリヤガスとしてのＨｔガスが導入される
ことによってそれ等有機金属の蒸気がＨ２ガスと共に反
応炉３０内へ供給される。また、タンク３６ａ、３６ｂ
には、それぞれアルシン（ＡｓＨ＝）、ｎ型ドーピング
のためのセレン化水素〔Ｈ，Ｓｅ）が収容されており、
Ｈ２ガスと共に反応炉３０内へ供給される。これ等の原
料ガスは、図中○印で示されているバルブやＭＦＣ（流
量コントローラ〕が制御装置３８によってそれぞれ制御
されることにより、形成すべき半導体の組成に応じて予
め定められた原料ガスがそれぞれ予め定められた流量で
供給される。また、その供給時間は、形成すべき化合物
半導体の膜厚に応じて予め設定される。

一方、前記反応炉３０内には、略垂直な中心線まわりに
回転駆動されるサセプタ４０が配設されており、そのサ
セプタ４０上には前記基板１２が保持されるようになっ
ている。また、反応炉３０の周囲には、誘導コイル４４
を備えた加熱装置４６が配設されており、上記サセプタ
４０を誘導加熱することによって基板１２を加熱するよ
うになっている。この加熱装置４６による基板１２の加
熱温度および加熱時間は、前記原料ガスの供給制御と関
連して前記制御装置３８によって制御されるようになっ
ている。すなわち、形成すべき化合物半導体の種類およ
び膜厚に応じて予め定められた温度および時間で基板１
２を加熱するように制御されるのである。

たとえば、直径が数インチの基板１２を、表面が上向き
となる姿勢でサセプタ４０上に保持させ、反応炉３０内
にアルシンを導入しつつ加熱装ｆｆ４６により１０００
°Ｃ程度の高温度で加熱する。これにより、基板１２の
表面に付着している酸化物等が除去され、清浄化される
。この工程が清浄化工程であるが、必ずしも必要ない。

次いで、よく知られた成長温度に維持されつつ、パルプ
の切換えが所定の手順に従って行われることにより、前
記２ｐｍ程度の厚みのｎ　　Ｇ　ａ　ｏ、　ｂｓＡ　ｌ
　Ｏ，３ＳＡ　Ｓクラッド層１４，０．１μｍ程度の厚
みのｐ−ＧａＡｓ活性層（発光層）１６．４μｍ程度の
厚みのｐ　　Ｇ　ａ　ｏ、　ｈｓＡ　ｌ　ｏ、　ｘｓＡ
　Ｓクラッド層１Ｂ、およびｌｕｍ程度の厚みのｐ・−
ＧａＡｓコンタクト層２０が基板１２上に順次積層され
る。

そして、発光効率を高めるための熱処理が施される。す
なわち、前記反応炉３０内に分圧４　Ｔｏｒｒのアルシ
ンが導かれて砒素の蒸散を防止するための砒素押圧が施
された状態で上記基板１２が過熱装置４６により７５０
°Ｃに維持され、この状態が３０分継続される。この熱
処理温度７５０°Ｃは、ガリウム−砒素系化合物半導体
或いはアルミニウムーガリウム−砒素系化合物半導体の
脆性遷移温度４００°Ｃを下限とし且つｐ塑成いはｎ型
半導体を形成するための不純物が実用上発光効率を損な
う程拡散が多くなる温度９００℃を上限とする温度範囲
内から適宜選択されたものであり、上記継続時間も必要
かつ充分な値に決定されたものである。

上記のように基板１２の上に化合物半導体が積層され且
つ熱処理が施された後は、反応炉３０から取り出されて
、良く知られたホトリソグラフィー技術およびスパッタ
リング技術を利用して前記オーミック電極２２および２
４が固着されるとともに、チップ状にスクライブされる
のである。そして、良く知られたボンディング技術およ
びパッケージング技術によって所定のパッケージ内に収
容されることにより、最終製品とされる。

以上のように製造された発光ダイオード１０は、熱処理
が施されているので、特に活性層１６内の転移の移動が
促進されて原子の再配列により格子欠陥が少な（される
と考えられる。このため、第３図の１点鎖線に示すよう
に、実線に示す熱処理が施されない場合に比較して３０
パ一セント強程度、発光効率が高められているのである
。

次に、前記熱処理の他の例の条件を第４図に示す０図に
おいて、最高温度が８００°Ｃ１最低温度が３５０℃で
ある２０分周期のサイクルが４回繰り返されている。こ
の熱処理の特徴は、最低温度がガリウム−砒素系化合物
半導体或いはアルミニラム−ガリウム−砒素系化合物半
導体の脆性遷移温度４００°Ｃを下まわるように設定さ
れていることである。この熱処理では、脆性遷移温度４
００°Ｃよりも低くしてから８００°Ｃまで温度を高め
ることにより、積極的に転移の移動が促進されている。

本実施例によれば、第３図の２点鎖線に示すような更に
良い発光効率が得られる。上記のように、所定の周期で
熱処理温度を上下させ且つ最低温度を脆性遷移温度４０
０°Ｃよりも一旦低くする形式の熱処理は、少なくとも
２回は脆性遷移温度４００℃よりも低くすることが望ま
しい。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明し
たが、本発明は他の態様で実施することもできる。

例えば、前述の発光ダイオード１０は、４００℃乃至９
００°Ｃの温度範囲内において繰り返し温度が上下させ
られる熱処理が施されてもよいのである。

また、前述の発光ダイオード１０は、ｎ−Ｇａ０．６Ｓ
Ａ　ｌ　ｏ、　ｓｓＡ　Ｓクラッド層１４．ｐ−ＧａＡ
ｓ活性層１６．ｐ　　Ｇａｏ、ｈｓＡＩ！ｏ、ｘｓＡｓ
クラッド層１８．およびＰ”−ＧａＡｓコンタクト層２
０が基板１２上に順次積層された後に熱処理が施されて
いたが、上記ｐ−ＧａＡｓ活性層１６が形成された後は
、どの段階で熱処理が施されてもよいのである。

また、前記実施例の発光ダイオード１０はＧａＡ　ｓ　
／　Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓダブルへテロ構造を成して
いるが、ＧａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰなど他の化合
物半導体から成る発光ダイオードや活性層１６のない単
一へテロ構造の発光ダイオードにも本発明は同様に適用
され得る。上記他の化合物半導体では、発光効率を上げ
るための熱処理の温度範囲が若干変更される。

また、前述の適用例では、発光ダイオード１０について
説明されていたが、半導体レーザであってもよいのであ
る。

その他−々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基
づいて種々の変更１．改良を加えた態様で実施すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一適用例である発光ダイオードの構造
図である。第２図は第１図の発光ダイオードを製造する
ためのＭＯＣＶＤ装置の構成を説明するための図である
。第３図は第１図の発光ダイオードの発光出力特性、を
従来の発光ダイオードとの比較において示す図である。 第４図は本発明の他の実施例の熱処理条件を説明するた
めの図である。 第１図 １０：発光ダイオード １４：クラッド層（ｎ型化合物半導体層）１６：ｐ−Ｇ
ａＡｓ活性層 １８：クラッド層（ｐ型化合物半導体層）Ｚ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 有機金属化学気相成長法によって基板上に積層されたｐ
   型化合物半導体層、ｎ型化合物半導体層を含む半導体発
   光素子の製造方法であって、前記化合物半導体層の脆性
   遷移温度より高い温度を用いて熱処理を施すことを特徴
   とする半導体発光素子の製造方法。