JP2007201152A

JP2007201152A - 発光素子の製造方法

Info

Publication number: JP2007201152A
Application number: JP2006017687A
Authority: JP
Inventors: Norikazu Ito; 範和伊藤; Atsushi Yamaguchi; 敦司山口; Masayuki Sonobe; 雅之園部; Ichiyo Tsutsumi; 一陽堤; Tetsuya Fujiwara; 徹也藤原
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2007-08-09

Abstract

【課題】
Ｖディフェクトの形成を効果的に抑制するとともに、発光素子の輝度の向上を図ることが可能な発光素子の製造方法を提供する。
【解決手段】
Ｉｎの組成比率が互いに異なるウェル層及びバリア層を活性層として有する発光素子の製造方法が、約７００〜８００℃のウェル層成長温度で、所定のウェル層成長時間に亘ってウェル層の結晶を成長させるステップと、約９００〜１０００℃のバリア層成長温度で、所定のバリア層成長時間に亘ってバリア層の結晶を成長させるステップと、ウェル層成長温度からバリア層成長温度に達するまでの間、又は、バリア層成長温度からウェル層成長温度に達するまでの間において、結晶を成長させるステップとを含み、ウェル層成長温度とバリア層成長温度との温度差は、約５０〜２００℃の範囲内である。
【選択図】図４

Description

本発明は、Ｉｎの組成比率が互いに異なるウェル層及びバリア層を活性層として有する発光素子の製造方法に関する。

従来、ＬＥＤやＬＤ（Laser-diode）などの発光素子として、ウェル層及びバリア層によって構成される量子井戸（ＭＱＷ； Multi Quantum Well）構造を有する発光素子が知られている。一般に、発光特性を有する活性層を構成するウェル層及びバリア層は、例えば、ＩｎＧａＮなどのように、Ｉｎを含む組成を有している。

ここで、活性層に含まれるＩｎの組成比は、活性層の成長温度に大きく依存しており、活性層の成長温度が高温となるに従って、Ｉｎの組成比が低くなってしまう。従って、活性層の成長温度の高温化には限界があった。一般的には、活性層の成長温度は、約７００〜８００℃の範囲内に保たれていた。

また、活性層の構造としては、バリア層にＩｎが含まれないＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造やバリア層にＩｎが含まれるＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ構造が挙げられる。ここで、活性層内部の量子効率は、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ構造よりもＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ構造の方が高いため、発光素子の高輝度化を図るためには、活性層の構造がＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮ構造である方が好ましい。

なお、ＭＱＷ構造を有する発光素子の製造方法として、基板ヒータと基板との距離を変更することによって、結晶の成長温度の切り替えに必要な時間を短縮する方法が提案されている（特許文献１）。この方法によれば、結晶成長の中断に伴って各層の界面に結晶の欠陥が生じることを抑制することができ、発光素子の生産性や量産性の向上を図ることができる。

特許第３４２４４６７号公報（請求項１、〜段落、図１など）。

一般に、活性層の成長温度は約７００〜８００℃程度であり、バリア層の成長温度の低さに起因して、Ｐ型クラッド層とバリア層との間に六角錘状の穴であるＶディフェクトが形成される場合があった。また、Ｖディフェクトの形成によって、リーク電流が増大して、ＬＥＤの輝度が低下してしまう。

また、結晶の成長温度の切り替えに必要な時間を短縮しても、結晶成長の中断に伴って結晶の欠陥が生じることは抑制できるが、Ｖディフェクトの形成を効果的に抑制することができなかった。

そこで、本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、Ｖディフェクトの形成を効果的に抑制するとともに、発光素子の輝度の向上を図ることが可能な発光素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、Ｉｎの組成比率が互いに異なるウェル層及びバリア層を活性層として有する発光素子の製造方法が、約７００〜８００℃のウェル層成長温度で、所定のウェル層成長時間に亘って前記ウェル層の結晶を成長させるステップと、約９００〜１０００℃のバリア層成長温度で、所定のバリア層成長時間に亘って前記バリア層の結晶を成長させるステップと、前記ウェル層成長温度から前記バリア層成長温度に達するまでの間、又は、前記バリア層成長温度から前記ウェル層成長温度に達するまでの間において、結晶を成長させるステップとを含み、前記ウェル層成長温度と前記バリア層成長温度との温度差は、約５０〜２００℃の範囲内であることを要旨とする。

かかる特徴によれば、Ｉｎの組成比率がウェル層よりも低いバリア層について、バリア層成長温度を約９００〜１０００℃の範囲内とすることにより、バリア層の成長温度の高温化が図られ、Ｖディフェクトの形成を効果的に抑制するができる。また、Ｖディフェクトの形成を効果的に抑制することによって、発光素子の輝度の向上を図ることができる。

また、ウェル層成長温度からバリア層成長温度に達するまでの間、又は、バリア層成長温度からウェル層成長温度に達するまでの間において結晶を成長させることにより、ウェル層とバリア層との界面に、Ｉｎの組成比率が段階的に異なる中間領域が形成される。この中間領域が、ウェル層の格子定数とバリア層の格子定数との違いを吸収することにより、ピエゾ効果の発生を抑制することができる。

さらに、ウェル層成長温度とバリア層成長温度との温度差を約５０〜２００℃の範囲内とすることにより、上述した中間領域の厚みを適正に保つことができ、所望のＭＱＷ構造を形成することができる。

本発明の第１の特徴において、前記ウェル層成長温度から前記バリア層成長温度に達するまでの時間、及び、前記バリア層成長温度から前記ウェル層成長温度に達するまでの時間は、前記所定のウェル層成長時間の約１〜３倍であることが好ましい。

本発明によれば、Ｖディフェクトの形成を効果的に抑制するとともに、発光素子の輝度の向上を図ることが可能な発光素子の製造方法を提供することができる。

（半導体発光素子の構成）
以下において、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す断面図である。なお、半導体発光素子とは、発光ダイオードや半導体レーザーを含む概念である。

図１に示すように、半導体発光素子は、サファイア基板１０と、ｎ型クラッド層２０と、ＭＱＷ活性層３０と、ｐ型クラッド層４０と、ｐ型コンタクト層５０とを有しており、各層が順に積層された構造を有する。また、ｎ型クラッド層２０の表面には、ｎ電極６０が設けられており、ｐ型コンタクト層５０の表面には、ｐ電極７０が設けられている。

ｎ型クラッド層２０は、ＭＱＷ活性層３０よりもバンドキャップエネルギーが大きい材料（例えば、ＧａＮ）によって構成される層であり、ＭＱＷ活性層３０にキャリアを閉じ込める機能を有する。

ＭＱＷ活性層３０は、ウェル層３０ａとバリア層３０ｂとが交互に積層された構造を有する。

ウェル層３０ａは、バリア層３０ｂよりもＩｎの組成比率が大きい薄膜層（例えば、ＩｎＧａＮ）である。一方、バリア層３０ｂは、ウェル層３０ａよりもＩｎの組成比率が小さい薄膜層（例えば、ＩｎＧａＮ）である。また、ウェル層３０ａ及びバリア層３０ｂは、多重量子井戸構造（ＭＱＷ構造）を形成する。

ｐ型クラッド層４０は、ＭＱＷ活性層３０よりもバンドキャップエネルギーが大きい材料（例えば、ＧａＮ）によって構成される層であり、ＭＱＷ活性層３０にキャリアを閉じ込める機能を有する。

ｐ型コンタクト層５０は、Ｍｇなどの不純物を含む層であり、ショットキーバリアが生じることを防止する機能を有する。

以下において、上述したＭＱＷ活性層３０の詳細について、図面を参照しながら説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るＭＱＷ活性層３０の構成を示す断面図である。

図２に示すように、ウェル層３０ａとバリア層３０ｂとの界面の近傍には、Ｉｎの組成比率が徐々に変化した中間領域３０ｃが形成される。具体的には、中間領域３０ｃでは、ウェル層３０ａからバリア層３０ｂに向けて、Ｉｎの組成比率が徐々に小さくなっている。

これは、後述するように、中間領域３０ｃは、ＭＱＷ活性層３０を形成する際に、Ｉｎを含む一定量の原料ガスをガス室内に供給しながら、基板温度を変化させることによって形成される。

（半導体発光素子の製造方法）
以下において、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示すフロー図である。

図３に示すように、ステップ１０において、サファイア基板１０を準備する。

ステップ２０において、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）又はトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などを含む原料ガスをガス室内に供給するとともに、個体結晶を気相成長させて、ｎ型クラッド層２０を形成する。なお、個体結晶を気相成長させる方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ；Metal Organic Chemical Vapour Deposition）法などが挙げられる。

ステップ３０において、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）及びトリメチルインジウム（ＴＭＩ）を含む原料ガスをガス室内に供給するとともに、個体結晶を気相成長させて、ＭＱＷ活性層３０を形成する。このとき、原料ガスの流量は一定のままで、基板温度を変化させることによって、ウェル層３０ａ及びバリア層３０ｂによって構成される量子井戸構造を形成する。

例えば、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）の流量は、約１．９ｅ^-5〜５．０ｅ^-5ｍｏｌ／ｍｉｎ（２０℃の条件下で７０〜２００ｓｃｃｍ）であり、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）の流量は、約８．８ｅ^-5〜６．８ｅ^-6ｍｏｌ／ｍｉｎ（３５℃の条件下で５０〜６００ｓｃｃｍ）である。

また、ウェル層３０ａを形成する際の成長温度（Ｔｗ）は約７００〜８００℃であり、バリア層３０ｂを形成する際の成長温度（Ｔｂ）は約９００〜１０００℃である。なお、成長温度（Ｔｗ）と成長温度（Ｔｂ）との温度差は約５０〜２００℃である。

さらに、ウェル層３０ａを形成する際の成長時間（Ｌｗ）は約５０ｓｅｃであり、成長温度（Ｔｗ）から成長温度（Ｔｂ）に達するまでの時間（以下、昇温時間）又は成長温度（Ｔｂ）から成長温度（Ｔｗ）に達するまでの時間（以下、降温時間）は約５０〜１５０ｓｅｃである。

ステップ４０において、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）又はトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）などを含む原料ガスをガス室内に供給するとともに、個体結晶を気相成長させて、ｐ型クラッド層４０を形成する。

ステップ５０において、Ｍｇなどの不純物を含む原料ガスをガス室内に供給するとともに、個体結晶を気相成長させて、ｐ型コンタクト層５０を形成する。

ステップ６０において、ｎ型クラッド層２０の表面にｎ電極６０を蒸着させるとともに、ｐ型コンタクト層５０の表面にｐ電極７０を蒸着させる。例えば、ｎ電極６０及びｐ電極７０は、真空蒸着法などによってｎ型クラッド層２０及びｐ型コンタクト層５０の表面に蒸着される。

以下において、上述したステップ３０（ＭＱＷ活性層成長処理）の詳細について、図面を参照しながら説明する。図４（ａ）は、ＭＱＷ活性層成長処理における基板温度を示す図であり、図４（ｂ）は、トリエチルガリウム（ＴＥＧ）とトリメチルインジウム（ＴＭＩ）との比率を示す図であり、図４（ｃ）は、トリメチルインジウム（ＴＭＩ）の流量を示す図である。

図４（ａ）に示すように、ｎ型クラッド層２０を形成した後、ウェル層３０ａを形成する際の成長温度（Ｔｗ）となるまで基板温度を下げる。その後、基板温度を所定時間に亘って維持することによってウェル層３０ａを形成し、バリア層３０ｂを形成する際の成長温度（Ｔｂ）となるまで基板温度を上げる。さらに、基板温度を所定時間に亘って維持することによってウェル層３０ａを形成する。

なお、上述したように、成長温度（Ｔｗ）は約７００〜８００℃であり、成長温度（Ｔｂ）は約９００〜１０００℃である。また、成長温度（Ｔｗ）と成長温度（Ｔｂ）との温度差は約５０〜２００℃である。

（作用及び効果）
本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の製造方法によれば、Ｉｎの組成比率がウェル層３０ａよりも低いバリア層３０ｂの成長温度（Ｔｂ）を約９００〜１０００℃の範囲内とすることにより、バリア層３０ｂの成長温度（Ｔｂ）の高温化が図られ、Ｖディフェクトの形成を効果的に抑制するができる。また、Ｖディフェクトの形成を効果的に抑制することによって、半導体発光素子の輝度の向上を図ることができる。

また、ウェル層３０ａの成長温度（Ｔｗ）からバリア層３０ｂの成長温度（Ｔｂ）となるまでの間、又は、バリア層３０ｂの成長温度（Ｔｂ）からウェル層３０ａの成長温度（Ｔｗ）となるまでの間において結晶を成長させることにより、ウェル層３０ａとバリア層３０ｂとの界面に、Ｉｎの組成比率が段階的に異なる中間領域３０ｃが形成される。この中間領域３０ｃが、ウェル層３０ａの格子定数とバリア層３０ｂの格子定数との違いを吸収することにより、ピエゾ効果の発生を抑制することができる。

さらに、ウェル層３０ａの成長温度（Ｔｗ）とバリア層３０ｂの成長温度（Ｔｂ）との温度差を約５０〜２００℃の範囲内とすることにより、上述した中間領域３０ｃの厚みを適正に保つことができ、所望のＭＱＷ構造を形成することができる。

同様に、ウェル層３０ａの成長温度（Ｔｗ）からバリア層３０ｂの成長温度（Ｔｂ）となるまでの時間（昇温時間）及びバリア層３０ｂの成長温度（Ｔｂ）からウェル層３０ａの成長温度（Ｔｗ）となるまでの時間（降温時間）が、ウェル層３０ａの成長時間（Ｌｗ）の約１〜３倍であることにより、上述した中間領域３０ｃの厚みを適正に保つことができ、所望のＭＱＷ構造を形成することができる。

（変更例）
上述した実施形態では、ウェル層３０ａの結晶を成長させる際にガス室内に供給される原料ガスの組成は一定であったが、これに限定されるものではなく、ガス室内に供給される原料ガスの組成が、ウェル層３０ａの結晶を成長させる際とバリア層３０ｂの結晶を成長させる際とで異なっていてもよい。

（実施例）
以下において、本発明と比較例との比較結果について、図面を参照しながら説明する。具体的には、バリア層３０ｂの成長温度（Ｔｂ）が、それぞれ、７７０℃、８７０℃及び９７０℃であるという条件下でＭＱＷ活性層３０の結晶を成長させて、Ｖディフェクトの形成状況について確認した。

図５（ａ）は、バリア層３０ｂの成長温度（Ｔｂ）が７７０℃であるという条件下でＭＱＷ活性層３０の結晶を成長させた場合におけるバリア層３０ｂの表面（ｐ型クラッド層４０側の表面）を示す図である。図５（ａ）に示すように、バリア層３０ｂの表面には、複数のＶディフェクト８０が形成されたことが確認された。

図５（ｂ）は、バリア層３０ｂの成長温度（Ｔｂ）が８７０℃であるという条件下でＭＱＷ活性層３０の結晶を成長させた場合におけるバリア層３０ｂの表面（ｐ型クラッド層４０側の表面）を示す図である。図５（ｂ）に示すように、バリア層３０ｂの成長温度（Ｔｂ）が７７０℃である場合よりもＶディフェクト８０の数が減ったものの、バリア層３０ｂの表面には、未だＶディフェクト８０が形成されたことが確認された。

図５（ｃ）は、バリア層３０ｂの成長温度（Ｔｂ）が９７０℃であるという条件下でＭＱＷ活性層３０の結晶を成長させた場合におけるバリア層３０ｂの表面（ｐ型クラッド層４０側の表面）を示す図である。図５（ｃ）に示すように、バリア層３０ｂの表面には、Ｖディフェクト８０が形成されなかったことが確認された。

上述したように、バリア層３０ｂの成長温度（Ｔｂ）の高温化を図ることによって、Ｖディフェクト８０の形成が効果的に抑制されることが確認できた。

本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の構成を示す断面図である。本発明の一実施形態に係るＭＱＷ活性層３０の構成を示す断面図である。本発明の一実施形態に係る半導体発光素子の製造方法を示すフロー図である。本発明の一実施形態に係るＭＱＷ活性層成長処理における基板温度などを示す図である。Ｖディフェクトの形成状況に関する比較結果を示す図である。

符号の説明

１０・・・サファイア基板、２０・・・ｎ型クラッド層、３０・・・ＭＱＷ活性層、３０ａ・・・ウェル層、３０ｂ・・・バリア層、３０ｃ・・・中間領域、４０・・・ｐ型クラッド層、５０・・・ｐ型コンタクト層、６０・・・ｎ電極、７０・・・ｐ電極

Claims

Ｉｎの組成比率が互いに異なるウェル層及びバリア層を活性層として有する発光素子の製造方法であって、
約７００〜８００℃のウェル層成長温度で、所定のウェル層成長時間に亘って前記ウェル層の結晶を成長させるステップと、
約９００〜１０００℃のバリア層成長温度で、所定のバリア層成長時間に亘って前記バリア層の結晶を成長させるステップと、
前記ウェル層成長温度から前記バリア層成長温度に達するまでの間、又は、前記バリア層成長温度から前記ウェル層成長温度に達するまでの間において、結晶を成長させるステップとを含み、
前記ウェル層成長温度と前記バリア層成長温度との温度差は、約５０〜２００℃の範囲内であることを特徴とする発光素子の製造方法。
前記ウェル層成長温度から前記バリア層成長温度に達するまでの時間、及び、前記バリア層成長温度から前記ウェル層成長温度に達するまでの時間は、前記所定のウェル層成長時間の約１〜３倍であることを特徴とする請求項１に記載の発光素子の製造方法。