(57)【要約】【課題】どのようなタイプの発光素子であっても高度なポリッシュ技術等を必要とせずに、Ｄ−ＳＩＭＳによる評価を行う試料表面を簡単に且つ高精度に作製することができ、発光素子のＳＩＭＳによる評価を精度よく行うことができ、評価にかかるコストを削減できる発光素子の評価方法を提供する。【解決手段】基板２の第１主面２ａ上にエッチストップ層１０をエピ成長させた後、該エッチストップ層の上に少なくとも発光層３及び電流拡散層５の順にエピ成長させ、基板の第２主面２ｂ側からエッチング液によりエッチストップ層１０まで基板２をエッチングして除去した後、発光素子１をエッチストップ層１０側から２次イオン質量分析法により深さ方向の元素分析をすることを特徴とする発光素子の評価方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の第１主面上に少なくとも発光層及び電流拡散層を有する発光素子を、二次イオン質量分析法により深さ方向の元素分析をする発光素子の評価方法において、
前記基板の第１主面上にエッチストップ層をエピ成長させた後、
該エッチストップ層の上に少なくとも前記発光層及び前記電流拡散層の順にエピ成長させ、
前記基板の第２主面側からエッチング液により前記エッチストップ層まで前記基板をエッチングして除去した後、
前記発光素子を前記エッチストップ層側から２次イオン質量分析法により深さ方向の元素分析をすることを特徴とする発光素子の評価方法。
【請求項２】
前記基板のエッチング除去の際、前記エッチング液としてアンモニア過水を使用し、該アンモニア過水の液温を２０〜５０℃とすることを特徴とする請求項１に記載の発光素子の評価方法。
【請求項３】
前記発光素子が超高輝度型発光素子であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の発光素子の評価方法。
【請求項４】
前記電流拡散層が５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発光素子の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次イオン質量分析法により、化合物半導体元素の濃度を定量する分析方法に関し、特に発光素子や高輝度発光素子の深さ方向の元素分析を容易にするための発光素子の評価方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体材料を使用した製品の一つには発光素子があり、この発光素子には、光吸収タイプや光透過タイプ等がある。図４は、光吸収タイプの発光素子の断面を示した概略図である。この図４の光吸収タイプの発光素子５１は、以下のようにして製造される。
【０００３】
先ず、有機金属化学気相成長（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）のリアクター内にてＧａＡｓ基板５２の上に４元系の化合物半導体で構成される発光層５３をエピタキシャル成長（以下、「エピ成長」と呼ぶ）させ、その上に電流拡散層５５を成長させるための接続層５４をヘテロエピ成長させ、取り出す。続いて気相成長（Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ：ＶＰＥ）のリアクター内に入れ、接続層５４の上に光取り出し用の窓である電流拡散層５５をホモエピ成長させ、そして、真空蒸着法により光取出し側電極５６及び裏面電極５７を取付けてチップ化する。
【０００４】
このように製造された発光素子５１は、４元系（例えばＡｌＧａＩｎＰ）の発光層５３の発光波長域においてＧａＡｓ基板５２の光吸収が大きいため、光吸収タイプの発光素子として知られている。
【０００５】
一方、光透過タイプの発光素子は、光吸収タイプの発光素子５１と同様の製造方法で電流拡散層５５を形成した後、ＧａＡｓ基板５２を除去し、該除去した界面と透明基板とを直接接合し、チップ化して製造されている。このように製造された光透過タイプの発光素子は、発光素子側面と貼り合わせた透明基板からの光の取り出し効果を上げている。
【０００６】
このようにして製造された発光素子の評価を行うに当たって、各層を成長させる際に混入させているｐ型やｎ型ドーパントの濃度を定量分析する必要がある。また、その他発光層等のドーパント濃度を測定する必要もある。
【０００７】
一般的に、半導体材料中に含有する不純物を分析する方法としては、二次イオン質量分析法（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＳＩＭＳ）が広く用いられている。この半導体材料の評価法であるＳＩＭＳは、数ｋｅＶから数十ｋｅＶのエネルギーを持ったセシウム等のイオンビーム（一次イオン）を半導体試料の表面に照射し、スパッタリング現象により試料表面から放出される二次イオンを質量分析する方法であり、半導体試料の表面の元素の種類や濃度を分析することができる。その上、スパッタリング現象によって半導体試料表面を削りながら質量分析するため（ダイナミックモードＳＩＭＳ：Ｄ−ＳＩＭＳ）、半導体試料の深さ方向における不純物元素プロファイル測定も可能である。
【０００８】
発光素子の各層や層の界面での不純物の分析をＤ−ＳＩＭＳで精度良く行うためには、スパッタ量を減らすため、発光素子試料の測定表面内で界面に対して平行になるように平坦性良くポリッシュする必要がある。しかしそのためには、比較的厚さの薄い（約８μｍの）電流拡散層側から、接続層の手前４〜２μｍ程度までポリッシュし、且つその傾きも２度以内に制御して膜厚が均一になるようにしなければならない。そして、精度良くポリッシュできない場合は、界面での不純物量やドーパントの定量値の精度が落ちてしまう。しかしこのようなポリッシュの技術は、熟練した技が必要であり、外部にサンプルの作成及び分析を依頼すると、非常にコスト高になるという問題があった。
【０００９】
さらに近年では、発光素子の高輝度化が研究されており、発光層全域での発光と側面からの光取り出し効率を飛躍的に向上させるため、図５のように電流拡散層を厚膜化している。図５は、超高輝度型発光素子の断面を示した概略図である。この発光素子６１は、ＧａＡｓ基板６２上に４元系の発光層６３、接続層６４、電流拡散層６５を有しており、特に従来の電流拡散層の厚さが約８μｍだったのに対して、超高輝度型発光素子の電流拡散層６５は約５０〜１５０μｍの厚膜を有する。これにより従来の発光素子に比べて、約２倍以上の高輝度化が図れる。
【００１０】
しかし、発光素子の高輝度化に伴い、電流拡散層が約５０μｍ以上の厚さを持つようになったことで、ＳＩＭＳを行う際、５０μｍという厚さを根気よく且つ前記したように精度良く電流拡散層をポリッシュしなければならず、手間と時間およびコストが大幅にかかるという問題が発生していた。
【００１１】
また、電流拡散層をポリッシュしない場合、バックサイドＳＩＭＳ（例えば特許文献１参照）を厚い電流拡散層を有する発光素子に適用し、発光素子の基板側から質量分析を行ってもよいが、ＧａＡｓ基板の厚さも厚いため、研削、エッチング等により基板を除去しなければならない。しかし、基板をエッチングにより除去すると、エッチングスピードにムラが出てしまい、分析を行う表面を高精度に作製するのは非常に困難であった。
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−１９１１６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、本発明は上記の問題を解決するためになされたものであって、どのようなタイプの発光素子であっても高度なポリッシュ技術等を必要とせずに、Ｄ−ＳＩＭＳを行う試料表面を簡単に且つ高精度に作製することができ、発光素子のＳＩＭＳによる評価を精度よく行うことができ、評価にかかるコストを削減できる発光素子の評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明は、基板の第１主面上に少なくとも発光層及び電流拡散層を有する発光素子を、二次イオン質量分析法により深さ方向の元素分析をする発光素子の評価方法において、
前記基板の第１主面上にエッチストップ層をエピ成長させた後、
該エッチストップ層の上に少なくとも前記発光層及び前記電流拡散層の順にエピ成長させ、
前記基板の第２主面側からエッチング液により前記エッチストップ層まで前記基板をエッチングして除去した後、
前記発光素子を前記エッチストップ層側から２次イオン質量分析法により深さ方向の元素分析をすることを特徴とする発光素子の評価方法を提供する（請求項１）。
【００１５】
このように、本発明は、基板の第１主面上にエッチストップ層をエピ成長させた後、少なくとも発光層及び電流拡散層の順にエピ成長させ、基板の第２主面側からエッチング液によりエッチストップ層まで基板をエッチングして除去した後、エッチストップ層側からＳＩＭＳにより深さ方向の元素分析を行う。
【００１６】
これにより、基板と発光層の中間にエッチストップ層が入るため、エッチング液により基板を除去する際、エッチ速度にムラがあっても、一旦エッチストップ層にてエッチングが止まるため、ＳＩＭＳで必要な平坦性の高い分析面を簡単に且つ短時間で作製することができる。従って、発光素子のＳＩＭＳによる評価を精度よく行うことができ、発光素子ポリッシュ工程を必要としないので、ポリッシュに要する時間や技術、又は発光素子の評価に要するコストを削減することができる。
【００１７】
この場合、前記基板のエッチング除去の際、前記エッチング液としてアンモニア過水を使用し、該アンモニア過水の液温を２０〜５０℃とすることが好ましい（請求項２）。
このように、基板除去の際、エッチング液としてアンモニア過水を使用し、該アンモニア過水の液温を２０〜５０℃とすることにより、短時間でＧａＡｓといった基板を除去することができる。
【００１８】
この場合、前記発光素子が超高輝度型発光素子（請求項３）、又は前記電流拡散層が５０μｍ以上（請求項４）である発光素子でも、基板と発光層の中間にエッチストップ層があるため、ＳＩＭＳで必要な平坦性の高い分析面を簡単に且つ短時間で作製することができ、これをエッチストップ層側から分析することで、このような電流拡散層が厚い超高輝度型の発光素子であってもＳＩＭＳで精度よく質量分析をすることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に従う発光素子の評価方法であれば、どのようなタイプの発光素子であっても高度なポリッシュ技術等を必要とせずに、Ｄ−ＳＩＭＳ評価を行う試料表面を簡単に且つ高精度に作製することができ、発光素子のＳＩＭＳによる評価を精度よく行うことができ、評価にかかるコストを削減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
従来、発光素子の層や界面におけるドーパント濃度を分析する際、スパッタ量を軽減するために電流拡散層を高精度にポリッシュし、Ｄ−ＳＩＭＳにより発光素子の評価を行っていた。しかし、近年の発光素子の高輝度化に伴う電流拡散層の厚膜化により、発光素子の評価にかかる時間とコストが膨大となり、それ以前に電流拡散層を平坦性よくポリッシュすることは非常に難しかった。さらに、バックサイドＳＩＭＳを適用したとしても、基板をエッチングして除去する際、そのエッチングスピードにはムラがあるため、平坦性のよい分析面を短時間で作製することは難しかった。
【００２１】
そこで、このような問題を解決するために本発明者らが鋭意研究及び検討を重ねた結果、ポリッシュ工程を必要とせずにＳＩＭＳで必要とする平坦性のよい分析面を得るためには、基板と発光層の間にエッチストップ層を入れることにより、平坦性よく基板を除去でき、ＳＩＭＳで必要な平坦性の高い分析面を簡単に且つ短時間で作製することができ、発光素子のＳＩＭＳによる評価を精度よく行うことができることに想到し、本発明を完成させた。
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２２】
図１〜図３は、本発明の発光素子の評価方法を工程順に示した概略図であり、図１は工程Ａ、図２は工程Ｂ、図３は工程Ｃのときの発光素子である。
まず、図１の工程Ａにおいて、成長用単結晶基板としてｎ型ＧａＡｓ単結晶基板２（発光層３からの発光光束に対して不透明である（活性層３ｂよりもバンドギャップエネルギーが小さい））をＭＯＣＶＤのリアクターに入れる。そして、基板２の第１主面２ａの表面に、ＡｌＩｎＰからなるエッチストップ層１０を０．５μｍ厚でエピタキシャル成長させる。
【００２３】
次に、発光層３をエピタキシャル成長させる。この発光層３は、各々（ＡｌｘＧａ１−ｘ）ｙＩｎ１−ｙＰよりなる、１．６μｍのｎ型クラッド層３ａ（ｎ型ドーパントはＳｉ）、０．７μｍの活性層３ｂ（ノンドープ）、及び２．２μｍのｐ型クラッド層３ｃ（ｐ型ドーパントはＭｇ：有機金属分子からのＣもｐ型ドーパントとして寄与しうる）で形成されている。そして、発光層３の上にｐ型ＧａＰからなる接続層４をＭＯＣＶＤ法によりヘテロエピタキシャル成長する。これらのエピタキシャル成長は、公知のＭＯＣＶＤ法により行われる。
【００２４】
次に、ｐ型ＧａＰよりなる電流拡散層５を、ＶＰＥ法により接続層４上にホモエピタキシャル成長させる。超高輝度型発光素子を作製する場合は、この電流拡散層５を厚めに５０〜１５０μｍの厚さで形成してもよい。
そして、基板２の第２主面２ｂ側をラッピングすることにより、発光素子の裏面に回り込んだｐ型ＧａＰを除去する。こうして評価対象となる発光素子１が完成される。
【００２５】
次に、図２の工程Ｂにおいて、ＧａＡｓ単結晶基板２を除去する。この基板の除去は、ＧａＡｓ基板の全てをエッチングして除去してもよいが、まず、ＧａＡｓ単結晶基板２の第２主面２ｂ側から研削を行って基板の厚さをある程度減じてから、ＧａＡｓに対して選択エッチング性を有するエッチング液を用いて、ＧａＡｓ単結晶基板２をエッチストップ層１０が露出するまでエッチングして除去すれば、基板除去にかかる時間の短縮化が図れる。
【００２６】
この基板２のエッチング除去の際、エッチング液としてはアンモニア過水（アンモニア／過酸化水素混合液）を使用し、該アンモニア過水の液温を２０〜５０℃とすることが好ましい。
このような条件でＧａＡｓ基板２を除去すれば、短時間で基板を除去することができる。特にＧａＡｓは、アンモニア過水にて簡単に除去できるが、エッチングスピードのムラから基板の厚さが不均一に除去されてしまう。
【００２７】
しかし、エッチストップ層１０があることで、全てのＧａＡｓ基板が除去できた時点で、基板のエッチング不均一性を一旦ＡｌＩｎＰのエッチストツプ層１０にて止めることができる。こうして、発光素子を分析するのに必要な平坦性を有する表面を発光素子に簡単且つ高精度に作製することができる。
そして、図３の工程Ｃにおいて、発光素子１をエッチストップ層１０側からＤ−ＳＩＭＳにより深さ方向の元素分析を行う。
【００２８】
このように基板２と発光層３の間にエッチストップ層を挟むことにより、基板の第２主面２ｂ側からエッチングしても、基板のエッチング不均一性を一旦エッチストツプ層１０にて止めることができる。また、用意したＧａＡｓ基板の平坦性が常に各エピ層界面で保たれているため、基板２をムラなく除去してしまえば、ＳＩＭＳによる評価を精度良く行うための試料分析面の平坦性は常に保つことができる。そして、このように裏面側から分析すれば、発光層３を含めても、電流拡散層５と接続層４の界面まで約１０μｍ程度であるため、該界面の不純物やドーパントの状態まで、精度良く分析することができる。
【００２９】
従って、本発明の発光素子の評価方法であれば、エッチング組成と、エッチング時間、エッチング中の攪拌方法（基板の回転及びスターラーによるエッチング液の攪拌）のみ管理すれば、簡単に発光素子のＳＩＭＳ測定用試料を作成することができ、熟練した作業は不要となり、どのようなタイプの発光素子であっても高度なポリッシュ技術等を必要とせずに、発光素子のＳＩＭＳによる評価を精度よく行うことができ、評価にかかるコストを削減することができる。
【００３０】
尚、本発明は、基板の第２主面側からエッチング液によりエッチストップ層まで基板をエッチングして除去した後、さらにエッチストップ層を第２エッチング液によりエッチング除去し、発光層からＳＩＭＳにより深さ方向の元素分析を行ってもよい。
この場合、ＡｌＩｎＰからなるエッチストップ層１０に対して選択エッチング性を有する第２エッチング液（例えば塩酸）によって、エッチストップ層１０をエッチング除去することができる。
【００３１】
このようにエッチストップ層１０を除去しても、発光層は第２エッチング液によりエッチング除去されない。そのため、ＳＩＭＳで必要な平坦性の高い分析面を簡単に作製することができる。また、エッチストップ層までもが除去されているため、さらに発光素子のＳＩＭＳによる評価にかかる時間を短縮することができる。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明の実施例をあげてさらに具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
前記した本発明の図１〜図３の工程に従い、電流拡散層５が５０μｍの厚さを有する超高輝度型発光素子の深さ方向のドーパント濃度測定をＳＩＭＳにより行った。
その結果を図６に示す。図６は、本発明の発光素子の評価方法により、発光素子の深さ方向のドーパント濃度を測定した結果を示す図である。
【００３３】
（比較例）
比較のため、実施例で作製した発光素子において、電流拡散層側から高精度に接続層手前までポリッシュし、ＳＩＭＳにより超高輝度型発光素子の深さ方向のドーパント濃度測定をＳＩＭＳにより行った。
その結果を図７に示す。図７は、従来の発光素子の評価方法により、発光素子の深さ方向のドーパント濃度を測定した結果を示す図である。
【００３４】
実施例、比較例の結果よりわかるように、どちらのプロファイルも差が見られない。
しかし、従来の方法ではポリッシュをしなければならず、本発明の発光素子の評価方法であれば、高度なポリッシュ技術等を必要とせずに、発光素子のＳＩＭＳによる評価を精度よく行うことができ、評価にかかるコストを削減することができることが示された。
【００３５】
尚、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３６】
例えば、ＧａＡｓ基板と発光層の間に、接合層と、ＧａＡｓ酸化防止層を設けた場合であっても、ＧａＡｓ基板、エッチストップ層、ＧａＡｓ酸化防止層、接合層、発光層…といった順に発光素子を作製すれば、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の発光素子の評価方法を工程順に示した概略図である（工程Ａ）。
【図２】本発明の発光素子の評価方法を工程順に示した概略図である（工程Ｂ）。
【図３】本発明の発光素子の評価方法を工程順に示した概略図である（工程Ｃ）。
【図４】光吸収タイプの発光素子の断面を示した概略図である。
【図５】超高輝度型発光素子の断面を示した概略図である。
【図６】本発明の発光素子の評価方法により、発光素子の深さ方向のドーパント濃度を測定した結果を示す図である。
【図７】従来の発光素子の評価方法により、発光素子の深さ方向のドーパント濃度を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１、５１、６１…発光素子、    ２、５２、６２…ＧａＡｓ単結晶基板、
２ａ…第１主面、    ２ｂ…第２主面、    ３、５３、６３…発光層、
３ａ…ｎ型クラッド層、    ３ｂ…活性層、    ３ｃ…ｐ型クラッド層、
４、５４、６４…接続層、    ５、５５、６５…電流拡散層、
１０…エッチストップ層、    ５６…光取出し側電極、    ５７…裏面電極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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