(57)【要約】【課題】反射層の反射ピーク波長の所定値からのずれを抑えて安定に成長できる半導体発光素子ウエハの製造方法を提供すること。【解決手段】基板上に発光層を有し、前記基板と前記発光層との間に、前記発光層からの光を反射させるための反射層を備える半導体発光素子用ウエハの製造方法であって、該半導体発光素子用ウエハの製造工程の前に、基板上に反射層を成長させる第一の工程と、基板上に成長させた反射層の反射ピーク波長を測定する第二の工程とをこの順に備え、前記第二の工程における測定の結果に基づいて前記半導体発光素子用ウエハに備える反射層の成長条件を決定する。【選択図】　図１
2004146561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に発光層を有し、前記基板と前記発光層との間に、前記発光層からの光を反射させるための反射層を備える半導体発光素子用ウエハの製造方法であって、該半導体発光素子用ウエハの製造工程の前に、基板上に反射層を成長させる第一の工程と、基板上に成長させた反射層の反射ピーク波長を測定する第二の工程とをこの順に備え、前記第二の工程における測定の結果に基づいて前記半導体発光素子用ウエハに備える反射層の成長条件を決定することを特徴とする半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項２】
前記半導体発光素子用ウエハに備える反射層の成長条件が、前記第二の工程における測定により得られた反射ピーク波長と前記発光層から光のピーク波長とが略一致するように前記第一の工程で用いた反射層の成長条件を調整することによって決定されることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項３】
前記反射層は屈折率の異なる高屈折率層と低屈折率層とを少なくとも１対以上含む半導体多層膜からなり、前記高屈折率層と前記低屈折率層のいずれか一方のみの層厚を調整することを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【請求項４】
前記高屈折率層と前記低屈折率層のいずれか一方またはその両方が、Ｉｎを含む化合物半導体からなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体発光素子用ウエハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は発光ダイオードやレーザダイオード等の半導体発光素子用ウエハの製造方法に係り、特に発光層からの光を反射させるための反射層を備える半導体発光素子用ウエハの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光ダイオードやレーザダイオード等の発光デバイスの作製に、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ等の３−５族化合物半導体が広く用いられている。これらのデバイスに用いる化合物半導体は、液相エピタキシャル法や有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法と記す）、気相エピタキシー法等を用いて成長される。最近では特にＭＯＣＶＤ法が広く用いられている。
【０００３】
ＭＯＣＶＤ法は、原料として有機金属ガスと水素化物ガスとをリアクタに供給し、リアクタの内部に置かれた支持体を加熱しながら、この支持体の上に載置された基板結晶上に化合物半導体を成長させる方法である。原料ガスの流量により成長速度を変えることができるため膜厚の制御性が比較的良く、多層構造の成長に適している。そこで、このような特性を活かし、屈折率の異なる層厚の薄い層を交互に積層させた多層構造からなる反射層を有する発光ダイオードやレーザダイオードが作製されている。
【０００４】
この反射層は、屈折率の異なる高屈折率層と低屈折率層を発光波長の１／４程度の厚みとし交互に積層させたものであり、所定の帯域の波長を選択的に反射させることができるものであり、ブラッグ型反射鏡とも呼ばれる。反射する波長は高屈折率層と低屈折率層の屈折率と層厚によって変化する。反射率は高屈折率層と低屈折率層の屈折率差が大きいほど高くすることができる。例えば、ＡｌＧａＡｓ系の発光ダイオードにおいては、高屈折率層にＧａＡｓ、低屈折率層にＡｌＡｓが選択されることがあり、高屈折率層と低屈折率層の層厚を６０ｎｍ程度、対数を３０程度とすることにより、約６５０ｎｍの反射ピーク波長と約９９％のピーク反射率を有する反射層が作製されている。
【０００５】
ＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオードの反射層においては、高屈折率層にＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰ、低屈折率層にＡｌＩｎＰやＡｌＧａＡｓ等が用いられる。例えば、高屈折率層にＧａＡｓ、低屈折率層にＡｌＧａＩｎＰを用いた反射層がある（例えば、特許文献１参照）。また、高屈折率層にＧａＡｓ、低屈折率層にＡｌＩｎＰを用いた第一の反射層と、高屈折率層にＡｌＧａＩｎＰ、低屈折率層にＡｌＩｎＰを用いた第二の反射層を組み合わせたハイブリッド型反射層がある（例えば、特許文献２参照）。このように、ＡｌＧａＩｎＰ系の発光ダイオードにおいては、発光層からの光に対する吸収と屈折率を考慮し、発光層と同じ系の材料であるＡｌＧａＩｎＰを用いた反射層が用いられることが多い。
【０００６】
【特許文献１】
特開平４−１００２７７号公報（第６頁、第２１図）
【特許文献２】
特開平７−８６６３８号公報（第３頁、第１図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＭＯＣＶＤ法を用いた半導体発光素子用ウエハの製造は、リアクタ内部のサセプタの上に基板を載置し、この基板上に半導体層を成長させることによって行われるが、基板以外のサセプタの上にも半導体が堆積されるため、厳密にはリアクタの内部の状態は成長のたびに変化することとなる。すなわち、ＭＯＣＶＤ法を用いて成長する場合、リアクタの内部の状態により同じ成長条件で成長させた反射層の特性が変化することとなり、反射層の反射ピーク波長が当初の値からずれることがある。反射ピーク波長が所定値からずれると、発光層からの光を十分に反射させることができなくなり発光効率の低下を引き起こすことがある。このため、製造歩留まりが安定せず、製造コストが高くなってしまうという問題がある。
【０００８】
したがって、本発明はこのような問題を解決するためになされたものであって、反射層の反射ピーク波長の所定値からのずれを抑えて安定に成長できる半導体発光素子用ウエハの製造方法を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基板上に発光層を有し、前記基板と前記発光層との間に、前記発光層からの光を反射させるための反射層を備える半導体発光素子用ウエハの製造方法であって、該半導体発光素子用ウエハの製造工程の前に、基板上に反射層を成長させる第一の工程と、基板上に成長させた反射層の反射ピーク波長を測定する第二の工程とをこの順に備え、前記第二の工程における測定の結果に基づいて前記半導体発光素子用ウエハに備える反射層の成長条件を決定することを特徴とする半導体発光素子用ウエハの製造方法である。この構成により、半導体発光素子用ウエハの製造時に最も近いリアクタの状態で成長した反射層の特性を知ることができ、これを基に発光層からの光の波長とのずれを最小限に抑えた反射層を成長することができるという作用を有する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
図１に反射層を有する半導体発光素子用ウエハの概略断面図を示す。ここでは、一例として、ＡｌＧａＩｎＰ系材料を用いた発光ダイオード用の半導体発光素子用ウエハを示している。
【００１２】
半導体発光素子用ウエハ２００は、ｎ型ＧａＡｓ基板２０１の上に、ｎ型ＧａＡｓバッファ層２０２を有する。このバッファ層２０２の上には、ｎ型ＡｌＩｎＰからなる低屈折率層３０１とｎ型ＡｌＧａＡｓ層からなる高屈折率層３０２を交互に積層させ、トータル１０対の対数で構成される反射層２０３を有する。さらに、反射層２０３の上には、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０４とアンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層２０５とｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０６を有する。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０６の上にはｐ型ＡｌＧａＡｓからなる電流拡散層２０７を有する。
【００１３】
アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層２０５は、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０４から注入された電子と、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２０６から注入された正孔との再結合により発光を生成するための発光層として働く。アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層２０５から発せられた光のうち基板２０１の側へ進む光は、反射層２０３により反射されて電流拡散層２０７の側へ向う。
【００１４】
図２に本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子用ウエハの製造で用いる半導体結晶成長装置の概略図を示す。半導体結晶成長装置１００は、リアクタ１１０と原料ガス１１の供給系１２０と排気系１３０とを有する。リアクタ１１０の内部にはウエハを載置させる支持体１が設けられており、支持体１の上にＧａＡｓ等からなる基板２が載置されている。支持体１はグラファイト等の熱伝導率の高い材料を用いて形成され、結晶の成長時には支持体１の下部に設けられたヒーター３により約４００℃から約１０００℃程度の高温に加熱される。リアクタ１１０は、このような高温に耐えられるように選択された石英やステンレス、モリブデン等の材料を用いた部品により構成されている。
【００１５】
図１に示す半導体発光素子用ウエハの成長時には、供給系１２０より所定の半導体層を得るための原料ガス１１をリアクタ１１０へ供給する。リアクタ１１０の内部では、ヒーター３により加熱されて高温に保持された支持体１とその上に載置された基板２により原料ガスが分解され、支持体１の上に堆積するとともに基板２の上に所望の半導体層が成長する。支持体１上への堆積または基板２への成長に用いられなかった余剰の原料ガス１２は、排気系１３０へと送られる。
【００１６】
図１に示す半導体発光素子用ウエハを図２に示すような半導体結晶成長装置で成長させる場合、半導体発光素子に備える反射層を構成する高屈折率層と低屈折率層の組成や層厚を厳密に制御させなければならないが、上記のように、基板２上への半導体層の成長を行うと基板２以外のリアクタ１１０の内部にも半導体の堆積が生じるため、厳密にはリアクタの内部の状態は成長のたびに変化していることとなる。したがって、反射層の成長条件も変化していることとなる。このような成長条件の変化は、組成や層厚の精密な制御が必要な反射層に影響し、反射ピーク波長のずれを引き起こす原因となる。
【００１７】
そこで、本発明のように、該半導体発光素子用ウエハの製造工程の前に、基板上に反射層を成長させる第一の工程と、基板上に成長させた反射層の反射ピーク波長を測定する第二の工程とをこの順に備えることとし、前記第二の工程における測定の結果に基づいて前記半導体発光素子用ウエハに備える反射層の成長条件を決定すると、半導体発光素子用ウエハの製造時に最も近いリアクタの状態で成長した反射層の特性を知ることができ、これを基に発光層からの光の波長とのずれを抑えた反射層を安定して成長することができる。
【００１８】
本発明においては、前記半導体発光素子用ウエハに備える反射層の成長条件が、前記第二の工程における測定により得られた反射ピーク波長と前記発光層から光のピーク波長とが略一致するように前記第一の工程で用いた反射層の成長条件を調整することによって決定されることが好ましい。前記第一の工程において成長した反射層の反射ピーク波長が、これと同じ条件で成長した場合の該半導体発光素子用ウエハの反射層の反射ピーク波長に最も近いので、前記第二の工程の測定結果に基づいて半導体発光素子用ウエハの反射層の成長条件を調整することで、所定の発光波長とのずれを最小限に抑えることができるからである。前記第一の工程で成長した反射層の成長条件を調整する際には、リアクタの内部の状態の変化の傾向に対応して行うと良い。
【００１９】
一般にリアクタの内部の状態の変化を定量評価することは困難であるが、例えば、リアクタのメンテナンス後から反射層の成長を連続的に、又は、他の結晶成長を挟みながら数回行い、反射ピーク波長の変化の推移を予め記録しておくと、リアクタの内部への半導体の堆積の量と反射ピーク波長の関係をおおよそ把握することができる。そこで、この関係から、前記第二の工程で得られた波長に基づいて同じ条件で成長した場合の半導体発光素子用ウエハの反射層の反射ピーク波長を予測し、所定の発光波長と一致するように該半導体発光素子用ウエハの反射層の成長条件を調整すると、所定の発光波長と反射ピーク波長とのずれを最小限にすることができる。
【００２０】
図３に、リアクタのメンテナンス後から反射層の成長を他の結晶成長（層厚約１０μｍ）を挟みながら８回行ったときの反射上ピーク波長の変化の推移の例を示す。横軸はウエハ上の半導体層の累積厚みであり、リアクタ内の半導体の堆積の厚みに略対応する。これより、反射層の反射ピーク波長はリアクタ内の半導体の堆積の厚みに対し単調に増加していることがわかる。
【００２１】
そこで、特定の時点において、本発明の第一の工程において成長した反射層の成長条件に、上記の単調増加の傾向から推測した反射ピーク波長の変化分を考慮して調整を加え、該半導体発光素子用ウエハに備える反射層の成長条件を決定することにより、半導体発光素子用ウエハにおいて所定の発光波長と反射ピーク波長とのずれを最小限にすることができる。
【００２２】
なお、ここでは、反射ピーク波長が単調増加する傾向を有するリアクタの例を示したが、リアクタの構造や成長条件によっては、単調減少したり、略一定である場合もある。そのような場合には、それぞれの傾向を基にして反射ピーク波長の変化分を考慮するとよい。
【００２３】
また、本発明において、前記反射層は屈折率の異なる高屈折率層と低屈折率層とを少なくとも１対以上含む半導体多層膜からなり、前記高屈折率層と前記低屈折率層のいずれか一方のみの層厚を調整することが好ましい。高屈折率層と低屈折率層のいずれか一方のみの層厚を調整することで、反射ピーク波長の調整が容易となるからである。
【００２４】
上記したように、反射層の反射ピーク波長は、高屈折率層と低屈折率層の屈折率と層厚で決定される。一般に、層厚が厚くなると、反射ピーク波長は長波長側へシフトし、層厚が薄くなると、反射ピーク波長は短波長側へシフトする。リアクタの状態の変化による影響を受けやすいのは層厚であるので、リアクタの内部の状態に応じて層厚を変化させると良い。層厚の調整は、成長時間の増減で行うことが好ましい。原料ガスを増減させる方法よりも容易に行うことができ層厚の制御性も良いからである。
【００２５】
さらにまた、本発明において、前記高屈折率層と前記低屈折率層のいずれか一方またはその両方が、Ｉｎを含む化合物半導体からなることが好ましい。反射層を構成する層がＩｎを含む場合、リアクタの内部の状態の影響を受けやすいので、このように材料を特定することで本発明の効果を最大限に享受することができるからである。
【００２６】
Ｉｎを含む化合物半導体を用いた反射層がリアクタの内部の状態の影響を受けやすい理由は現在のところ不明であるが、Ｉｎの原料として用いるトリメチルインジウムやトリエチルインジウムがトリメチルガリウムやトリメチルアルミニウム等の他の有機金属材料に比べ熱的に不安定であることが考えられる。
【００２７】
なお、ここでは半導体発光素子として発光ダイオードを例にとって説明したが、反射層を有する半導体発光素子であればこれに限定するものではなく、例えば、発光層の上部と下部に反射層を有する垂直共振器型レーザダイオードの場合も本発明の思想の範囲に属するものである。
【００２８】
【実施例】
以下、ＭＯＣＶＤ法を用いたＡｌＧａＩｎＰ系発光ダイオードの製造方法を例にとり本発明の実施例を説明する。
【００２９】
（比較例）
まず、リアクタの支持体にＧａＡｓ基板を載置し、ヒーターを用いて支持体とその上に載置したＧａＡｓ基板とを加熱し、ＡｓＨ３ガスを流しながら結晶成長温度である６５０℃にまで温度を上昇させる。次に、原料ガスとしてトリメチルガリウム（以下、ＴＭＧと記す）を流し始め、ＧａＡｓからなるバッファ層を０．５μｍの厚みで成長させる。バッファ層の成長の後、ＴＭＧとＡｓＨ３ガスの供給を止め、引き続き、トリメチルアルミニウム（以下、ＴＭＡと記す）とＴＭＧとトリメチルインジウム（以下、ＴＭＩと記す）とＰＨ３ガスを流しながらＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる低屈折率層を５０ｎｍの厚みで成長させる。このときの成長時間は９０．５秒であった。低屈折率層の成長の後、ＴＭＡとＴＭＧとＴＭＩとＰＨ３ガスの供給を止め、引き続き、ＴＭＡとＴＭＧとＡｓＨ３ガスを流しながらＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓからなる高屈折率層を４８ｎｍの厚みで成長させる。このときの成長時間は９５．０秒であった。この後同様にして、低屈折率層と高屈折率層を合計１０対成長し、反射層の成長を終える。反射層の成長の後、約４００℃以下になった時点でＡｓＨ３ガスの供給を止める。さらに室温程度にまで温度を降下させた後、リアクタからウエハを取り出す。測定の結果、反射層の反射ピーク波長は６０９．５ｎｍであった。
【００３０】
次に、図１に示す半導体発光素子用ウエハと同様の層構成で発光ダイオード構造を成長させる。ここで、発光ダイオード構造の発光層は発光波長が６１０ｎｍとなるように調整し、反射層の成長条件は上記と同じとした。さらに、反射層のみの成長と発光ダイオード構造の成長を計８回繰り返した。
【００３１】
図４に、発光ダイオード構造の成長を挟みながら８回成長させた反射層の反射ピーク波長と、発光ダイオード構造のウエハを電極形成しプローブ法で評価した発光強度の推移を示す。反射層の成長時間を一定として成長させた場合、反射ピーク波長は次第に長波長側へシフトし、発光ダイオードの発光強度は次第に低下している。
【００３２】
（実施例）
次に、上記比較例と同様にして発光ダイオード構造の成長を挟みながら反射層の成長を８回行った。ここで、発光ダイオード構造の成長にあたっては、直前に成長させた反射層の反射ピーク波長を評価し、上記比較例の結果を参考に反射ピーク波長が長波長側へシフトする分を、低屈折率層の成長時間を短くし反射ピーク波長が約６１０ｎｍになるよう調整を加えることによって補正して、反射層の条件を決定した。
【００３３】
図５に、調整を加えた低屈折率層の成長時間と８回成長させた発光ダイオード構造の発光強度の推移を示す。反射層の成長時間を短くする調整を加えることで、発光ダイオードの発光強度は安定していることがわかる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体発光素子用ウエハの製造時に最も近いリアクタの状態で成長した反射層の特性を知ることができ、これを基に発光層からの光の波長とのずれを最小限に抑えた反射層を成長することができるので、半導体発光素子の発光特性を安定させることができ、製造歩留まりを安定させることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】反射層を有する半導体発光素子用ウエハの概略断面図
【図２】本発明の一実施の形態に係る半導体発光素子用ウエハの製造で用いる半導体結晶成長装置の概略図
【図３】リアクタのメンテナンス後から反射層の成長を他の結晶成長を挟みながら８回行ったときの反射ピーク波長の変化の推移の例を示す図
【図４】発光ダイオード構造の成長を挟みながら８回成長させた反射層の反射ピーク波長と、発光ダイオード構造のウエハを電極形成しプローブ法で評価した発光強度の推移を示す図
【図５】調整を加えた低屈折率層の成長時間と発光ダイオード構造の発光強度の推移を示す図
【符号の説明】
１　支持体
２　基板
３　ヒーター
１１　原料ガス
１２　余剰の原料ガス
１００　半導体結晶成長装置
１１０　リアクタ
１２０　原料ガス供給系
１３０　排気系
２００　半導体発光素子用ウエハ
２０１　ｎ型ＧａＡｓ基板
２０２　ｎ型ＧａＡｓバッファ層
２０３　反射層
２０４　ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
２０５　アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層
２０６　ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
２０７　電流拡散層
３０１　低屈折率層
３０２　高屈折率層
【図１】
2004146561.tif 000003
【図２】
2004146561.tif 000004
【図３】
2004146561.tif 000005
【図４】
2004146561.tif 000006
【図５】
2004146561.tif 000007