(57)【要約】【課題】結晶成長の回数を重ね、ホルダにデポが付着した状態であっても、ウエハ面内の輝度特性分布が一様なＬＥＤエピタキシャルウエハ及びそれを用いて製造したＬＥＤを提供するものである。【解決手段】本発明のＬＥＤエピタキシャルウエハは、基板２上に、光を発するための活性層６と、その活性層６から発せられた光を取出すための光取出し面と、基板２と前記活性層６の間に設けられ、活性層６から発せられた光を光取出し面側に反射させるためのＤＢＲ層４とを設けたものであり、ウエハ外周側で、ＤＢＲ層４の反射波長が活性層６の発光波長に合うようにＤＢＲ層４を設計し、活性層６の発光波長とＤＢＲ層４の反射波長の差がウエハ外周側で最小となるように形成したものである。【選択図】図１
2008147504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、光を発するための活性層と、その活性層から発せられた光を取出すための光取出し面と、前記基板と前記活性層の間に設けられ、活性層から発せられた光を光取出し面側に反射させるためのＤＢＲ層とを設けたＬＥＤエピタキシャルウエハにおいて、ウエハ外周側で、前記ＤＢＲ層の反射波長が前記活性層の発光波長に合うようにＤＢＲ層を設計し、活性層の発光波長とＤＢＲ層の反射波長の差がウエハ外周側で最小となるように形成したことを特徴とするＬＥＤエピタキシャルウエハ。
【請求項２】
基板上に、光を発するための活性層と、その活性層から発せられた光を取出すための光取出し面と、前記基板と前記活性層の間に設けられ、活性層から発せられた光を光取出し面側に反射させるためのＤＢＲ層とを設けたＬＥＤエピタキシャルウエハにおいて、ウエハ外周側で、前記活性層の発光波長が前記ＤＢＲ層の反射波長に合うように活性層を設計し、活性層の発光波長とＤＢＲ層の反射波長の差がウエハ外周側で最小となるように形成したことを特徴とするＬＥＤエピタキシャルウエハ。
【請求項３】
ウエハ外周側で、上記活性層の発光波長と上記ＤＢＲ層の反射波長の差が、
−１０ｎｍ≦（活性層の発光ピーク波長）−（ＤＢＲ層の反射ピーク波長）≦１０ｎｍ…(1)
を満足するように、上記ＤＢＲ層又は上記活性層を設計した請求項１又は２記載のＬＥＤエピタキシャルウエハ。
【請求項４】
上記基板がＧａＡｓ基板、上記活性層が（Ａｌx1Ｇａ1-x1）y1Ｉｎ1-y1Ｐウェル層（０≦ｘ１≦０．５、０．４≦ｙ１≦０．６）と（Ａｌx2Ｇａ1-x2）y2Ｉｎ1-y2Ｐバリア層（０＜ｘ２≦１、ｘ１＜ｘ２、０．４≦ｙ２≦０．６）を重ね合わせた単位半導体を繰り返し積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、上記ＤＢＲ層がＡｌx3Ｇａ1-x3Ａｓ（０≦ｘ３≦０．６）半導体とＡｌＩｎＰ半導体を重ね合わせた単位半導体を繰り返し積層した多層構造である請求項１から３いずれかに記載のＬＥＤエピタキシャルウエハ。
【請求項５】
請求項１から４いずれかに記載のＬＥＤエピタキシャルウエハを用いて製造したことを特徴とするＬＥＤ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＬＥＤエピタキシャルウエハ及びそれを用いて製造したＬＥＤに関し、特にウエハ面内の輝度特性分布が一定、一様なＬＥＤエピタキシャルウエハに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、液晶ディスプレイ、信号機、車載、その他イルミネーション用途への発光ダイオードの普及が急速に進んでいる。ＬＥＤは、ＰＮ接合もしくはＰＩＮ接合を構成するように化合物半導体を基板上に成長させたエピタキシャルウエハを、プロセスにより電極形成、チップ化し、ワイヤボンディングで配線、樹脂でモールドしてランプとしたものである。信号機、車のテールランプなどでは、ＬＥＤを複数並べて表示（表示器）として使用することが多く、このような用途では高輝度が要求されるため、輝度向上のために、構造上、ＤＢＲ（分布ブラグ反射）層を持つものが多い。
【０００３】
図２にＤＢＲ層を持つＬＥＤの層構造の内、ｐ型半導体がウエハ表面に位置する例の断面模式図を示す。
【０００４】
活性層６から放射される光の内、第２電極１０の側（上側）に放射された光は、発光波長に対して透明であるように設計されたｐ−クラッド層７、ｐ−電流拡散層８、ｐ−コンタクト層９を通過して、第２電極１０が形成されていない隙間から放射される。一方、活性層６から第１電極１の側（下側）に放射された光は、ＤＢＲ層４で反射されて第２電極１０の側（上側）に放射され、同じく第２電極１０が形成されていない隙間から放射される。３はｎ−バッファ層、５はｎ−クラッド層である。
【０００５】
ここで、活性層６の下側にＤＢＲ層４がない場合、活性層６から第１電極１側に放射された光は、主に基板２に吸収されてしまうので、光は上側に反射されず、上面から放射されることはない。そのため、ＤＢＲ層４はＬＥＤの高輝度化のために有効な手段となる。
【０００６】
このようなＤＢＲ層を成長させるためには、数十ナノメートルの厚さの薄層の成長が制御可能で、超高真空を必要とせず、量産性に優れたＭＯＶＰＥ法が用いられることが多い。ＭＯＶＰＥ法は、反応炉の中に有機金属（以下、ＭＯという）とガスを供給し、高温に加熱された基板上で熱分解反応を起こし、基板上に結晶（エピタキシャル層）を成長させる方法である。
【０００７】
図３にＭＯＶＰＥ装置における反応炉の縦断面図を、図４に図３の４−４線矢視図を示す。
【０００８】
図３に示すように、基板（ＧａＡｓ基板）１１をセットしたホルダ１２を、シャフト１３に接続されたディスク１４の穴内に配置する。ホルダ１２の外周には歯車１５が形成されており、この歯車１５と、ディスク１４の周囲に設けられ、反応炉２１に固定された外歯１６とが噛み合うようになっている。図４に示すように、シャフト１３がある方向に回転すると、ディスク１４も同方向に回転するが、ディスク１４の周囲の外歯１６は反応炉２１に固定されているため回転せず、外歯１６と噛み合っているホルダ１２がディスク１４の穴内を反対方向に回転する。この結果、それぞれのホルダ１２（基板１１）は、ディスク１４の穴を中心に自転しながら、シャフト１３を中心に公転することになる。このような反応炉を自公転炉と呼んでいる。この自公転炉と、ホルダ１２に歯車１５の機構がなく、シャフト１３を中心に単に公転のみを行う公転炉とを比較すると、自公転炉の方がウエハ面内の層厚の均一性に優れている。
【０００９】
【特許文献１】特許第２７７８８６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ＬＥＤを複数並べて表示器として使用する場合、全てのＬＥＤの輝度が一様であることが必要である。そのため、製造上、ウエハ全面から所望の輝度レベル以上でかつ、ウエハ面内の輝度均一性良くチップを取得できることが、ＬＥＤの生産性を高める上で重要である。
【００１１】
ところで、先に述べたＭＯＶＰＥ法を使用する場合、結晶成長の回数を重ねると、ウエハをセットするホルダにデポが付着し、特にウエハ周辺部（外周側）でＭＯ、ガスの流れが遮られる。このため、ウエハの外周側では、ＭＯ、ガスの供給が少なくなってエピタキシャル成長が妨げられ、ウエハ外周側の層厚は中心部に比べて薄くなり、ウエハ面内の輝度特性分布が悪化する。
【００１２】
前述したように、自公転炉は、ウエハを自転させることで、ウエハ同心円上（周方向）の層厚分布が均一になり、公転炉と比較してウエハ面内の層厚均一性に優れているが、ウエハ中心と外周側（径方向）ではどうしても層厚分布を持つことになる。
【００１３】
通常、ウエハは、図５に示すように、ウエハ中心で活性層の発光波長とＤＢＲ層の反射波長とが一致するように設計される。このため、デポの影響でウエハ外周側の層厚が薄くなることで、活性層の発光波長とＤＢＲ層の反射波長との乖離が顕著となり、ウエハの中心から外周側にいくにつれて輝度が低下するという面内分布を持つことになる。特に活性層（ＬＥＤ）の発光波長が短波になればなる程、層厚の変化の影響を受けやすくなる。
【００１４】
そこで本発明の目的は、結晶成長の回数を重ね、ホルダにデポが付着した状態であっても、ウエハ面内の輝度特性分布が一様なＬＥＤエピタキシャルウエハ及びそれを用いて製造したＬＥＤを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、基板上に、光を発するための活性層と、その活性層から発せられた光を取出すための光取出し面と、前記基板と前記活性層の間に設けられ、活性層から発せられた光を光取出し面側に反射させるためのＤＢＲ層とを設けたＬＥＤエピタキシャルウエハにおいて、ウエハ外周側で、前記ＤＢＲ層の反射波長が前記活性層の発光波長に合うようにＤＢＲ層を設計し、活性層の発光波長とＤＢＲ層の反射波長の差がウエハ外周側で最小となるように形成したことを特徴とするＬＥＤエピタキシャルウエハである。
【００１６】
請求項２の発明は、基板上に、光を発するための活性層と、その活性層から発せられた光を取出すための光取出し面と、前記基板と前記活性層の間に設けられ、活性層から発せられた光を光取出し面側に反射させるためのＤＢＲ層とを設けたＬＥＤエピタキシャルウエハにおいて、ウエハ外周側で、前記活性層の発光波長が前記ＤＢＲ層の反射波長に合うように活性層を設計し、活性層の発光波長とＤＢＲ層の反射波長の差がウエハ外周側で最小となるように形成したことを特徴とするＬＥＤエピタキシャルウエハである。
【００１７】
請求項３の発明は、ウエハ外周側で、上記活性層の発光波長と上記ＤＢＲ層の反射波長の差が、
−１０ｎｍ≦（活性層の発光ピーク波長）−（ＤＢＲ層の反射ピーク波長）≦１０ｎｍ…(1)
を満足するように、上記ＤＢＲ層又は上記活性層を設計した請求項１又は２記載のＬＥＤエピタキシャルウエハである。
【００１８】
請求項４の発明は、上記基板がＧａＡｓ基板、上記活性層が（Ａｌx1Ｇａ1-x1）y1Ｉｎ1-y1Ｐウェル層（０≦ｘ１≦０．５、０．４≦ｙ１≦０．６）と（Ａｌx2Ｇａ1-x2）y2Ｉｎ1-y2Ｐバリア層（０＜ｘ２≦１、ｘ１＜ｘ２、０．４≦ｙ２≦０．６）を重ね合わせた単位半導体を繰り返し積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造、上記ＤＢＲ層がＡｌx3Ｇａ1-x3Ａｓ（０≦ｘ３≦０．６）半導体とＡｌＩｎＰ半導体を重ね合わせた単位半導体を繰り返し積層した多層構造である請求項１から３いずれかに記載のＬＥＤエピタキシャルウエハである。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項１から４いずれかに記載のＬＥＤエピタキシャルウエハを用いて製造したことを特徴とするＬＥＤである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に従えば、ウエハ面内の輝度特性分布が一様なＬＥＤエピタキシャルウエハを製造することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基いて説明する。
【００２２】
本発明の好適一実施の形態に係るＬＥＤエピタキシャルウエハの、ウエハ面内における活性層の発光波長分布とＤＢＲ層の反射波長分布を図１に示す。
【００２３】
本実施の形態に係るＬＥＤエピタキシャルウエハの層構造は、図２に示した基板２の上面に、順に、ｎ−バッファ層３、ＤＢＲ層４、ｎ−クラッド層５、活性層６、ｐ−クラッド層７、ｐ−電流拡散層８、ｐ−コンタクト層（光取出し面）９を設けたものである。
【００２４】
基板２はＧａＡｓ基板、活性層６はアンドープのＧａＩｎＰ半導体とＡｌＧａＩｎＰ半導体を重ね合わせた単位半導体を１ペアとし、そのペアを繰り返し積層した多層構造、ＤＢＲ層４はＳｉドープのＧａＡｓ半導体とＡｌＩｎＰ半導体を重ね合わせた単位半導体を１ペアとし、そのペアを繰り返し積層した多層構造で構成される。
【００２５】
ＤＢＲ層４は、図１に示すように、ウエハ外周側で、ＤＢＲ層４の反射波長が活性層６の発光波長に合うよう、すなわち、活性層６の発光波長とＤＢＲ層４の反射波長の差がウエハ外周側で最小となるよう設計されており、具体的には、
−１０ｎｍ≦（活性層の発光ピーク波長）−（ＤＢＲ層の反射ピーク波長）≦１０ｎｍ…(1)
を満たすように設計される。この時、ウエハ中心での活性層６の発光波長とＤＢＲ層４の反射波長の波長差も上式(1)を満たしており、最大波長差は１０ｎｍ以下である。
【００２６】
本実施の形態に係るＬＥＤエピタキシャルウエハを用い、その基板２の下面に第１電極層（図示せず）を、ｐ−コンタクト層９の上面に第２電極層（図示せず）を設けた後、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程を経て第１電極１及び第２電極１０を形成し、その後、ダイシング工程を経てチップ化し、各チップとフレームをワイヤボンディングで配線した後、樹脂でモールドすることでＬＥＤが得られる。
【００２７】
次に、本実施の形態の作用を説明する。
【００２８】
先ず、ＤＢＲ層４の層厚と反射波長、及び活性層６の層厚と発光波長の関係について説明する。
【００２９】
ａ）ＤＢＲ層について
ＤＢＲ層４を構成するエピタキシャル層の層厚ｄは、
層厚ｄ＝反射させたい波長λ／（４×エピタキシャル層の屈折率ｎ）…(2)
という関係式で表される。
【００３０】
よって、ウエハ外周側のエピタキシャル層の層厚ｄが、結晶成長の回数を重ねることによって薄層化するにつれて、反射させたい波長λの値も小さくなっていく。ここで、ＬＥＤの発光波長が、上式(2)の反射させたい波長λと合っていなければ、ＤＢＲ層４がＬＥＤの反射膜として有効に作用しないので、ＬＥＤの発光出力が低下することになる。
【００３１】
ｂ）活性層について
多重量子井戸（ＭＱＷ）からなる活性層６であれば、層厚と発光波長に相関関係がある。ＭＱＷは、ウエル層とバリア層（ウエル層よりもバンドギャップ大）と呼ばれる２つのエピタキシャル層を交互に積層した構成からなり、ウエル層の層厚を薄層化していくと短波長になり、厚層化していくと長波長になる。
【００３２】
ここで、例えば全体的にＤＢＲ層４及び活性層６の各エピタキシャル層が薄くなる場合を考える。ＤＢＲ層４を構成するエピタキシャル層の層厚が５％薄くなると、ＤＢＲ層４の反射波長が３０ｎｍほど短波長側にシフトする（上式(2)でλ＝５６０〜６５０ｎｍとし、層厚が５％薄くなった時）。一方、活性層６を構成するエピタキシャル層の層厚が５％薄くなったとしても、活性層６の発光波長が短波長側にシフトするのはせいぜい数ｎｍである。これらの理由により、結晶成長の回数を重ねることにより、ＤＢＲ層４及び活性層６の各エピタキシャル層の層厚が当初の設計よりもずれて薄くなると、ウエハ外周側で活性層６の発光波長とＤＢＲ層４の反射波長の乖離が大きくなってしまい、ＬＥＤの発光出力が低下してしまう。例えば、図２に示したホルダ１２にデポが付着することで、ウエハ外周側でのＭＯ、ガスの供給が少なくなり、ウエハ外周側の層厚が薄くなるが、その影響は、図１に示すように、ＤＢＲ層４の反射波長の方が、活性層６の発光波長よりも受けやすい。その結果、ウエハ中心で発光波長を設計したウエハでは、デポの付着が進むと、ＤＢＲ層４の反射ピーク波長がウエハ外周側で短波となり、設計値より最も外れることになる。
【００３３】
そこで、本実施の形態に係るＬＥＤエピタキシャルウエハは、活性層６の発光波長をウエハ中心で設計し、また、ＤＢＲ層４の反射波長をウエハ外周側の活性層６の発光波長に合わせて設計することで、ＬＥＤエピタキシャルウエハ面内で輝度分布が均一になるようにしている。
【００３４】
具体的には、ＤＢＲ層４の反射波長をウエハ外周側の活性層６の発光波長に合わせて設計し、かつ、ウエハ中心の活性層６の発光波長とＤＢＲ層４の反射波長の差を１０ｎｍ以下とすることが、ウエハ面内の輝度分布を一定にする上で最適な条件となる。
【００３５】
このように、ＤＢＲ層４の反射波長をウエハ外周側の活性層６の発光波長に合わせて設計することで、結晶成長の回数を重ねて、本来なら輝度のウエハ面内分布が悪化するデポ厚の領域であっても、ウエハの外周側で最適な反射条件が得られようになるため、ホルダにデポが付着することに伴うウエハ外周側の輝度低下分を補うことができる。したがって、輝度分布が一定なＬＥＤエピタキシャルウエハを得ることができ、その結果、そのＬＥＤエピタキシャルウエハを用いて製造した各ＬＥＤにおいては一定輝度が維持される。すなわち、輝度分布の均一性の高い本実施の形態に係るＬＥＤエピタキシャルウエハを使用することで、エピタキシャルウエハ全面から所望の輝度レベル以上で、かつ、ウエハ面内の輝度均一性良くチップを取得することができ、チップ製造工程での輝度ランクの仕分け工程を省略することが可能となり、ＬＥＤの生産性が向上する。
【００３６】
本実施の形態に係るＬＥＤエピタキシャルウエハにおいては、ＤＢＲ層４の反射波長をウエハ外周側の活性層６の発光波長に合わせて設計する場合を例に挙げて説明を行ったが、活性層６の発光波長をウエハ外周側のＤＢＲ層４の反射波長に合わせて設計することでも同様の効果が得られる。
【実施例】
【００３７】
キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、直径３インチのＳｉドープＧａＡｓ基板の上面に、先ず、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、膜厚２００ｎｍ、ＳｉドープＧａＡｓからなるｎ−バッファ層を形成した。
【００３８】
次に、そのｎ−バッファ層の上面に、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、膜厚４５ｎｍのＳｉドープＧａＡｓ半導体とキャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、膜厚５０ｎｍのＳｉドープＡｌＩｎＰ半導体を重ね合わせた単位半導体を１ペアとし、そのペアを２０ペア繰り返し積層してＤＢＲ層を形成した。そのＤＢＲ層の上面に、キャリア濃度５×１０17ｃｍ-3、膜厚５００ｎｍ、ＳｉドープＡｌＩｎＰからなるｎ−クラッド層を形成した。
【００３９】
次に、そのｎ−クラッド層の上面に、膜厚５ｎｍのアンドープＧａＩｎＰ半導体と膜厚１０ｎｍのアンドープ（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.5Ｉｎ0.5Ｐ半導体を重ね合わせた単位半導体を１ペアとし、そのペアを５０ペア繰り返し積層して活性層を形成した。
【００４０】
その後、活性層の上面に、順に、キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3、膜厚５００ｎｍ、ＺｎドープＡｌＩｎＰからなるｐ−クラッド層、キャリア濃度５×１０18ｃｍ-3、膜厚１００００ｎｍ、ＺｎドープＧａＰからなるｐ−電流拡散層、キャリア濃度１×１０19ｃｍ-3、膜厚１０ｎｍ、ＺｎドープＧａＡｓからなるｐ−コンタクト層を形成し、エピタキシャルウエハ（直径３インチ）を作製した。このＤＢＲ層の反射波長のウエハ面内分布（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）は８ｎｍ、活性層の発光波長のウエハ面内分布（Ｍａｘ−Ｍｉｎ）は３ｎｍであった。
【００４１】
得られたエピタキシャルウエハの層構造を表１に示す。
【００４２】
【表１】
2008147504.tif 000003
【００４３】
このエピタキシャルウエハは、ウエハ外周側のＤＢＲ層の薄層化を見越した上で、かつ、ウエハ外周側の活性層の発光波長とＤＢＲ層の反射波長が合うようにＤＢＲ層の設計がなされているため、ウエハ中心及びウエハ外周側のどちらにおいても活性層の発光波長とＤＢＲ層反射波長の差が１０ｎｍ以下と小さく、輝度分布は均一であった。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の好適一実施の形態に係るＬＥＤエピタキシャルウエハの、ウエハ面内における活性層の発光波長分布とＤＢＲ層の反射波長分布を示す図である。
【図２】ＤＢＲ層を有するＬＥＤの層構造を示す断面図である。
【図３】ＭＯＶＰＥ装置における反応炉（自公転炉）の縦断面図である。
【図４】図３の４−４線矢視図である。
【図５】従来のＬＥＤエピタキシャルウエハの、ウエハ面内における活性層の発光波長分布とＤＢＲ層の反射波長分布を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】
２  基板
４  ＤＢＲ層
６  活性層
【図１】
2008147504.tif 000004
【図２】
2008147504.tif 000005
【図３】
2008147504.tif 000006
【図４】
2008147504.tif 000007
【図５】
2008147504.tif 000008