JPH01173764A

JPH01173764A - 発光素子の製法

Info

Publication number: JPH01173764A
Application number: JP62333555A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Bito; 尾藤　喜文; Akira Watanabe; 暁渡辺; Kokichi Ishiki; 石櫃　鴻吉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1987-12-28
Filing date: 1987-12-28
Publication date: 1989-07-10
Anticipated expiration: 2011-12-25
Also published as: JP2566800B2

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】〔産業上の利用分野〕本発明はＬＥＤなどの発光素子の製法に関するものであ
る。

〔従来技術及びその問題点〕

近時、発光素子は多方面の分野で用いられており、これ
に伴って耐環境性に優れた発光素子が要求される。例え
ば発光側面が物理的又は化学的に影響を受は易い環境の
なかで用いられる場合には耐蝕性、耐熱性、機械的強度
などに優れた透光性保護部材を発光側面に形成しなけれ
ばならない。

上記発光素子はシリコン（Ｓｉ）基板又はガリウムヒ素
（ＧａＡｓ）基板の上にＧａ１−ＸＡｌｘ　Ａｓ／Ｇａ
Ａｓなどから成る発光ダイオードが形成された構造であ
り、このような構成であれば、ＧａＡｓ基板やＳｉ基板
の光学的エネルギーバンドはＧａ＋−ｇ　Ａｌｘ　Ａｓ
／ＧａＡｓが有する発光エネルギーに比べて小さなり、
そのために発光された光が基板によって吸収される。従
って、その発光ダイオードが発光する光は基板に対して
反対側を投光し、前記透光性保護部材などを介して照射
される。

これに対して、ＧａＡｓ基板上にＬＰ、Ｅ法によりｃａ
ｔ−ＸＡ１．　ＡｓＪｉを約３００μ輸の厚みで成長さ
せ、次いで：その層の上にＧａ＋−ｙ　Ａｔ、　Ａｓ層
を形成し、これによって両者の間でＰＮ接合を形成し、
然る後、上記ＧａＡｓ基板を研磨により除去することが
提案されている。

しかしながら、このように製作された発光素子によれば
、ＧａＡＩＡｓＦｉは強度的に劣っており、そのために
発光素子の信頼性が低下する。

しかも、上記のような製作法を用いた場合、製造コスト
が著しく上がるという問題もある。

〔発明の目的〕

従って本発明は上記事情に迄みて完成されたものであり
、その目的は基板側より発光させることができる発光素
子の製法を提供することにある。

本発明の他の目的は耐環境性及び信頼性に優れた発光素
子の製法を提供することにある。

本発明の更に他の目的は透光性保護部材を不要とし、製
造コストを低減させることができた発光素子の製法を提
供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によれば、アルミナ単結晶基板上に２μｍ以下の
厚みのシリコン層を気相成長し、次いで該シリコン層の
上に順次下記（Ａ）工程及び（Ｂ）工程から成る有機金
属熱分解気相成長法によりＰ−Ｎ接合をもつ第■・■族
化合物半導体層をエピタキシャル成長させて該半導体層
が発光する光を該シリコン層と該基板を介して投光させ
ることができることを特徴とする発光素子の製法が提供
される。

（Ａ）　　・・・前記基板を３７０乃至４７０℃の温度
範囲内に設定すると共に第■族元素含有ガス及び第■族
元素含有ガスを反応室内部に導入し、気相成長法により
前記シリコン層の上に第■・■族化合物を生成する（Ｂ）　　・・・前記基板を５５０乃至７５０℃の温度
範囲内に設定すると共に第■族元素含有ガス及び第■族
元素含有ガスを反応室内部に導入し、気相成長法により
第■・■族化合物を生成する以下、本発明を上記第■・■族化合物がＧａＡｓである
場合を例にとって詳細に説明する。

本発明の製法によれば、アルミナ単結晶基板にシリコン
（Ｓｔ）７３を形成し、次いで上記（Ａ）工程及び（Ｂ
）工程から成る有機金属熱分解気相成長法（Ｍｅｔａｌ
−Ｏｒｇａｎｉｃ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄ
ｅｐｏｓｉｔｉｏｎ　％略して通常ＭＯＣＶＤ法と呼ば
れる）を用いて５ｉｒｒＪ上にＧａＡｓ半導体層を形成
し、しかも、その形成に当たって上記半導体層をＰ−Ｎ
接合と成して発光ダイオードを形成する。そして、その
発光ダイオードが発光する光がＳｉ層と基板を介して発
光できるようにし、これにより、耐環境性及び信頼性に
優れ、製造コストを低減させることができた発光素子が
得られる。

このようにアルミナ単結晶基板上にＳｉ層を形成した基
板、即ち、ＳＯＳ基板（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　５ａｐ
ｐｈｉｒｅ基板）と呼ばれる基板を用いた場合には、Ｓ
ｉ層のないアルミナ単結晶基板を用いて、その基板上に
ＧａＡｓ半導体層を形成した場合に比べて結晶性が改善
され、その結果、発光特性及び信頼性が向上し、しかも
、（１００）面の面方位が得られる。

先ず前記Ｓｉ層はシランガスなどを熱分解する従来周知
のＣＶＯ法により形成される。

そのＳｉ層の厚みは２μｍ以下、好適には１μｍ以下に
設定すればよい。

即ち、Ｓｉ層はＧａＡｓ層に比べてハンドギャップが小
さく、そのためにＧａＡｓ層が発光する光はＳｉ層によ
って吸収される。従って、Ｓｉ層の厚みを小さくするこ
とによってその吸収量を小さくできる。本発明者等が繰
り返し行った実験によれば、５ｉＪ５の厚みを２μｍ以
下に設定した場合、発光量の約６０２以上がアルミナ単
結晶基板から投光され、これによって実用上支障のない
発光素子と成り得ることを確認した。

次にＭＯＣＶＤ法によりＧａＡｓ半導体層を上記Ｓｉ層
上に形成する。

そのＭＯＣＶＤ法は順次下記（Ａ）工程及び（Ｂ）工程
から成る。

（Ａ）工程においては、ＳＯ８基板の温度を次の（Ｂ）
工程で設定される基板温度より低く設定し、Ｇａ元素含
有ガス及びＡｓ元素含有ガスを反応室に導入して結晶成
長に要する核を形成する。そのためにはＳＯＳ基板を３
７０乃至４７０℃、好適には４００乃至４５０℃の温度
に設定すればよい。３７０℃未満であればＧａＡｓの核
が成長しないことを実験上確認した。

一方、４７０℃を越えた場合には均質且つ良好な島状成
長が行われず、その原因として本発明者等は界面に欠陥
が生じているためであると考える。

どの（＾）工程によって生成するＧａＡｓ膜の厚みは１
００乃至５００人の範囲内に設定するとよい。この範囲
内に設定された場合には十分に結晶化されていない膜が
次の（Ｂ）工程において結晶化が進行し易くなるという
点でよい。

次の（Ｂ）工程はＧａＡｓの結晶成長を行う工程であり
、Ｇａ元素含有ガス及びＡｓ元素含有ガスを反応室内部
に導入し、基板温度を５５０乃至７５０℃、好適には５
７０乃至７３０℃の範囲内に設定すると、これらのガス
が熱分解し、（Ａ）工程にて生成したＧａＡｓ薄膜上に
ＧａＡｓをエピタキシャル成長させることができる。

上記（Ａ）工程及び（Ｂ）工程にて用いられるＧａ元素
含有ガスにはＧａ（ＣＩ（：＋）：＋、Ｇａ（ＣＪｓ）
３などがあり、一方のＡｓ元素含有ガスにはＡｓＨ３な
どがある。そして、これらのガスのキャリアガスにはＨ
２又は不活性ガス（Ａｒ＋Ｎｚ＋Ｈｅ、Ｎｅ等）がある
。

このようにして形成されるＧａＡｓ半導体層の伝導型を
制御するためには次の不純物をドーピングすればよい。

ｎ形半導体にするためにはＳｉ、Ｓｅ、Ｓなどをドーピ
ングすればよく、そのために用いられるドーパントには
５ｉＨｔ、５ｉＪ６＋ＨｚＳｅ、ＨｚＳ等がある。

また、Ｐ形半導体にするためにはＺｎ、Ｍｇなどをドー
ピングすればよく、そのために用いられるドーパントに
はジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）　、　　ヒスシクロペンダ
ニニルマグネシウム（ＣｐｚＭｇ）などがある。

そして、上記ＧａＡｓ半導体層のうちＧａ元素の一部を
＾１．ＰｔＩｎなどで置換してＧａＡｌＡｓ、ＧａＰＡ
ｓ、Ｇａ１ｎＡｓなどの三元混晶と成すこともでき、こ
れにより、バンドギャップの大きさが変えられる。その
ために用いられるガスには（ＣＨ３）３八１．　（Ｃｚ
Ｈｓ）　：ｌＡ１．　（ｉｓｏ−Ｃ４Ｈ１１）３Ａ１＋
　（ＣｚＨｓ）ｓｌｎ、ＰＨｓなどがある。

また本発明の製法においては、ＳＯ３基板上に表面平滑
性をもつＧａＡｓ半導体層を形成するとよく、これによ
り、発光効率を顕著に高め、しかも、半導体層表面の微
細加工が可能となる。

このような表面平滑性を得るためにはＳｉＮ表面のオフ
角度を（１００）面から（０１１）面方向へ１〜８°、
好適には３〜６　″の範囲内に設定するとよい。このよ
うな範囲設定はアルミナ単結晶基板のＲ面のオフ角度と
対応しており、このオフ角度を決めることによってＳｉ
Ｎ表面のオフ角度が所定通りに決められる。

また、このＳｉＮの厚みはＧａＡｓ層の結晶性が改善さ
れるように最低値が決められる。その厚みについて、本
発明者等は０．０５μｍ以上がよいと考える。

かくして本発明の製法によれば、上記のような（Ａ）工
程及び（Ｂ）工程並びにＳＯ３基板表面のオフ角度に設
定することにより、表面平滑性が得られ、しかも、結晶
性に優れ且つその層表面に（１００）面の面方位が得ら
れる半導体素子が提供される。

本発明者等が繰り返し行った実験によれば、その表面平
滑性は表面粗さでＯ，Ｉｓ以下、更に０．０５Ｓ以下、
更にまた０、０３Ｓ以下にまで設定される。

本発明者等は、このような半導体素子を製作するに当た
って、上記（Ａ）工程及び（Ｂ）工程の前に、次のよう
に基板を前処理すると本発明の目的が更に有利に達成で
きることも見い出した。

即ち、ＳＯＳ基板をＭＯＣＶＤ用反応室内部に設置し、
Ａｓ）１．などのＡｓ元素含有ガス並びにＨ２などのキ
ャリアガスを導入し、通常の加熱手段によって基板を８
５０℃以上、好適には１０００℃以上になるまで加熱し
、これにより、Ｓｉ層の表面に付着した酸化物を除去す
ることができ、その結果、更に結晶性が改善されたＧａ
Ａｓ半導体層を形成することができる。

更に本発明の製法によれば、ＧａＡｓ半導体層の結晶性
を改善するために（Ａ）工程や（Ｂ）工程におけるガス
比率を次の通りに設定するとよい。

即ち、Ｇａ元素含有ガスのモル容積に対するＡｓ元素含
有ガスのモル容積比率を１０以上、好適には３０乃至１
００の範囲内に設定するとよい。

次に高周波誘導加熱方式〇ＭＯＣＶＤ装置を第１図によ
り説明する。

図中、ｌは反応室であり、この中にサセプタ２が設置さ
れており、サセプタ２上にＧａＡｓ膜を成長させるため
のＳＯ３基板３が設置される。反応室１の周囲には高周
波コイル４が巻き付けられており、これに高周波電源（
図示せず）が接続され、高周波コイル４に高周波電力が
印加されるに伴ってサセプタ２が誘導加熱される。そし
て、反応室１には超高真空排気装置５と排気ガス処理装
置６が接続されており、成膜前に超高真空排気装置５に
より反応室１の内部を真空排気し、この内部の残留ガス
を除去し、排気ガス処理装置６により排気ガス中のＡｓ
化合物を除去する。

第１タンク７にはＡＳＨ３ガスが、第２タンク８には（
ＣＨ３）　２Ｚｎガス（これはＨ２ガスにより希釈され
ており、その濃度は０．１モル％に設定されている）が
、第３タンク９には５ｉＪｂガスが密封されており、そ
れぞれのタンクから放出される流量はマスフローコント
ローラ１０，１１．１２により調整され、いずれのガス
も第１主管１３へ供給される。

また、第４タンク１４にはＨ２ガスが密封されており、
このガスは純化器１５を介してキャリアガスとして高純
度化され、そして、第１主管１３へ供給され、そのガス
流量はマスフローコントローラ１６，２４により調整さ
れる。

１７はＧａ（ＣＨｚ）：＋の液体が入っている第１バブ
ラであり、１８はＡＩ（ＣＩ＋）３の液体が入っている
第２バブラであり、１９．２０はそれぞれのバブラ１７
．１８を所要の温度に設定するための恒温槽である。そ
して、第４タンク１４より純化器１５を介して供給され
る高純度Ｈ２ガスは第１バブラ１７、第２バブラ１８へ
導入されるようになっており、これにより、バブラ内の
液体がガス化し、第２主管２１へ導入される。

第２主管２１へ導入されるガスはマスフローコントロー
ラ２２．２３により調整され、しかも、第４タンク１４
により純化器１５を介して供給される高純度Ｈ２ガスは
マスフローコントローラ２４によって調整されながら第
２主管２１へ導入されるようになっており、このＨ２ガ
スはＧａ（ＣＨ３）ａガスやＡＩ　（ＣＨ３）　３ガス
のキャリアガスともなる。

かくして、第１主管１３により＾５ｌｌｌガス、（Ｃ）
１３）　ｚＺｎガス、５ｉｚｌ（６ガスが、他方の第２
主管１４によりＧａ　（ＣＨ３）　３ガス、ＡＩ　（Ｃ
Ｈ３）　３ガスが運ばれて反応室１に導入される。尚、
２５，２６．２７，２８，２９，３０，３１．３２，３
３゜３４．３５．３６，３７，３８，３９．４０はバル
ブを示す。

以上の構成のＭＯＣＶＤ装置において、ＳＯ３基板３を
サセプタ２上に固定し、第１タンク７よりＡｓＨ。

ガスを、また第４タンク１４よりＨ２ガスをそれぞれ反
応室１の内部に導入し、高周波コイル４により基板３を
約９５０℃の温度で誘導加熱し、基板表面上の付着物を
除去して清浄化処理を行う。

次に超高真空排気装置５により反応室１の内部を１０−
　’Ｔｏｒｒ位にまで真空にし、高周波コイル４により
基板３を誘導加熱し、所定の温度に達したら、この温度
を維持する。そして、バルブ３４乃至４０を全開にして
第４タンク１４より純化器１５を介して高純度Ｈ２ガス
を反応室１の内部に導入する。

先ず（Ａ）工程においては、バルブ２５を全開にして第
１タンク７よりＡｓＨ３ガスを放出し、その放出量をマ
スフローコントローラ１０を調整しながら第１主管１３
へ導入する。また、バルブ３０を閉じてバルブ２Ｂ、２
９を全開にし、Ｈ２ガスをバブラ１７に導入してＧａ（
Ｃ１１３）ｘガスを得る。このガスの供給量は恒温槽１
９の温度とマスフローコントローラ２２により設定され
、第２主管２１へ導入される。

次の（Ｂ）工程においては、基板温度を所定範囲内に設
定し、上記と同様にＧａ（Ｃｌｌ：＋）３ガスとＡｓ）
Ｉ３ガスを反応室へ導入し、ＧａＡｓを結晶成長する。

このＧａＡｓ層は半導体特性があり、その伝導型はＳｉ
又はＺｎをドーピングすることによって決定される。従
って、この（Ｂ）工程において、バルブ２６又はバルブ
２７を全開にして第２タンク８や第３タンク９がらＺｎ
（ＣＬ）３ガスやＳ　ｉ　ｚ　ＩＩ　ｂガスを放出し、
ＡＳＨ：ｌガスとともに反応室１へ導入すればよい。

また、（Ｂ）工程においてＧ、：ＩＡＩＡＳ層を結晶成
長させる場合には、バルブ３３を閉じてバルブ３１．３
２を全開にし、Ｈ２ガスをバプラ１８に導入してＡＩ（
Ｃ１１３）！ガスを得る。このガスの供給量も恒温槽２
０の温度とマスフローコントローラ２３により設定され
、Ｇａ（ＣＩ＋３）３ガスとともに第２主管２１に導入
されて反応室１へ供給される。

かくして本発明の製法によれば、上記ＭＯＣＶＤ装置を
用いてＳＯＳ基板上にＧａＡｓ半導体層又はＧａＡｌＡ
ｓ半導体層を形成することができ、その半導体層の伝導
型を制御してＰ−Ｎ接合も形成することができる。

このような本発明の製法により得られる発光素子の典型
的構成は第２図に示す通りである。

同図によれば、アルミナ単結晶基板４１ａの上にＳｉ層
４１ｂが形成されて成るＳＯ３基板４１の上にｎ形Ｇａ
＋−ｘ　ＡＩＸ　Ａｓ層４２（厚み１〜３　μｍ）、Ｐ
形Ｇａ＋−ｙＡＩｙＡｓ　Ｊｉ４３（Ｋみｌ〜３μＬ１
１）並びにＰ゛形ＧａＡｓ層４４が順次積層された構造
であり、４５はＳｉＮなどからなる保護層、４６はＡｇ
−Ｚｎ合金から成る第１電極、４７はＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ
合金から成る他方の第２電極、４８はリード線を接続す
るためのハンダである。

上記のｙ値とｙ値は各層４２．４３のハンドギャップに
差をつけてＧａ、−ＸＡＩＸ　Ａｓ１ｍで発光が吸収さ
れないようにするためにｘ＞ｙの関係が設定されている
。

また、上記発光素子は次に述べる製作方法によって層４
３．４４．４５が２分化されており、領域Ａを発光部と
し、他方の領域Ｂを電極引出し部とする。

そして、上記の発光素子は次の第１工程乃至第６エ程に
より順次製作される。

第１工程・・・ＳＯＳ基板４１上にＭＯＣＶＤ法により
ｎ形Ｇａ、、　Ａｌｘ　Ａｓ層４２．Ｐ形Ｇａ、−、Ａ
ｌｙＡｓ層４３、層形３ａＡｓ４４が順次される（第３
図参照）。

第２工程・・・第４図乃至第６図に示す通り、各々の層
４２，４３．４４の所定個所を順次選択的にエツチング
する。このエツチングはウェットエツチング或いはドラ
イエツチングのいずれでもよく、各層の材質によりエツ
チング成分が決められる。例えばＧａＡｓ及びＧａＡｌ
Ａｓに対するエツチング成分には１１□５Ｏ４−ｔｌ□
０□−１１□０があり、ＧａＡｓに対する選択エツチン
グ成分にはｌＩ２０□−ＮＨ４０Ｈがあり、そして、Ｇ
ａＡｌＡｓに対する選択エツチング成分にはＨＦ　　Ｈ
ｚＯ□がある。

第３工程・・・第７図に示す通り、プラズマＣＶＤ法に
よってＳｉＮ保護層４５を全面に亘って形成する。

第４工程・・・第８図に示す通り、フォトエツチングに
よりＳｉＮ保護層４５を選択的に除去する。

第５工程・・・第９図に示す通り、蒸着及びフォトプロ
セスにより第１電極４６を形成する。

第６エ程・・・第１０図に示す通り、蒸着及びフォトプ
ロセスにより第２電極４７を形成する。

かくしてアルミナ単結晶基板上に５ｉ１５を形成し、次
いでＭＯＣＶＤ法によりＧａＡｓ系半導体層を形成して
Ｐ−Ｎ接合と成し、然る後、上記第１工程乃至第６エ程
を順次行うことによって第２図に示す発光素子が製作さ
れる。

〔発明の効果〕

以上の通り、本発明の製法によれば、ＭＯＣＶＤ法によ
ってＳＯＳ基板上に所要通りの伝導型に制御コｌされた
半導体層を形成することができ、これにより、発光用Ｐ
Ｎ接合半導体が形成でき、しかも、ＳＯＳ　基板のＳｉ
層の厚みを所定範囲内に設定してＳＯＳ基板自体の透光
性を著しく高めることができ、その結果、基板側より発
光させることができる発光素子を擢供できる。

また本発明の製法によれば、ｓｏｓ　５板側より投光さ
せることができたので耐食性、耐熱性、耐傷性、機械的
強度などに優れた発光素子と成り、これにより、耐環境
性及び信頼性に優れた発光素子が提供できる。

更に本発明の製法によれば、透光性保８隻部材を不要と
し、しかも、基板の研磨除去が不要となり、これにより
、安価な発光素子が提供できる。

尚、本発明の製法においては、第■・■族化合物がＧａ
Ａｓである場合を例にとって説明されているが、本発明
者等はそれ以外の第■・■族化合物、例えばＩｎＰ、　
ＩｎＡｓＰ、　ＧａＰ、　ＧａＮなどの化合物について
も同様な効果が得られると考える。

【図面の簡単な説明】

第１図はＭＯＣＶＤ装置の概略図、第２図は本発明の製
法により得られる発光素子の断面図であり、そして、第
３図、第４図、第５図、第６図、第７図、第８図、第９
図及び第１Ｏ図は上記発光素子の製造順序を示し、各々
の図は各工程を示す断面図である。４１ａ　　・・・アルミナ単結晶基板４１ｂ　　・　・　・シリコン層４２＝ｎ形Ｇａ＋−ｘ　ＡＩＸ　Ａｓ層４３・・・Ｐ形
Ｇａ＋−ｙ　ＡｌｙＡｓｉ４４−・−Ｐ”形ＧａＡｓ層４５・・・保護層特許出廓人　（６６３）京セラ株式会社代表者安城欽寿第２図 ←−△→　　　←δ−〉盲５ｒ〜゛１ｑｓ（−ＩＩ’　　へ、／４９す；（〉　　ヒ・１［万；ｉ’ｇ刈

Claims

【特許請求の範囲】　アルミナ単結晶基板上に２μｍ以下の厚みのシリコン
層を気相成長し、次いで該シリコン層の上に順次下記（
Ａ）工程及び（Ｂ）工程から成る有機金属熱分解気相成
長法によりＰ−Ｎ接合をもつ第III・Ｖ族化合物半導体
層をエピタキシャル成長させて該半導体層が発光する光
を該シリコン層と該基板を介して投光させることができ
ることを特徴とする発光素子の製法。（Ａ）・・・前記基板を３７０乃至４７０℃の温度範囲
内に設定すると共に第III族元素含有ガス及び第Ｖ族元素含有ガスを反応室内部に導入し、気相成長法により前記シリコン層の上に第III・Ｖ族化合物を生成する（Ｂ）・・・前記基板を５５０乃至７５０℃の温度範囲
内に設定すると共に第III族元素含有ガス及び第Ｖ族元素含有ガスを反応室内部に導入し、気相成長法により第III・Ｖ族化合物を生成する