(57)【要約】【課題】抵抗が低くしかも厚いＡｌＧａＡｓウインドウ層を有し、出力の高いＬＥＤを製造する技術を提供する。【解決手段】基板上に発光層を形成する発光層形成工程Ｂと、次いで該発光層の上にＡｌＧａＡｓ層を形成するＡｌＧａＡｓ層形成工程Ｃとを有し、これらの工程で有機金属化合物気相エピタキシャル成長法を用いる発光ダイオードの製造方法において、ＡｌＧａＡｓ層形成工程Ｃでは、Ａｓ原料の一部または全部として、トリメチルアルシンやターシャリーブチルアルシンを用い、該Ａｓ原料の供給量と、Ａｌ及びＧａ原料の供給量とのモル比(Ｖ／III)を３０以下とし、発光層形成工程Ｂのときよりも低温でＡｌＧａＡｓ層を形成する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウインドウ層としてＡｌＧａＡｓ層を形成するＡｌＧａＡｓ層形成工程を有する発光ダイオードの製造方法において、
前記ＡｌＧａＡｓ層形成工程では、Ａｓ原料の一部又は全部として、アルシンを構成する水素の一部又は全部を炭化水素基で置換して得られる化合物を用いて、有機金属化合物気相エピタキシャル成長法によりＡｌＧａＡｓ層を形成することを特徴とする発光ダイオードの製造方法。
【請求項２】
前記ＡｌＧａＡｓ層形成工程では、Ａｌ及びＧａ原料の供給量に対する、前記Ａｓ原料の供給量のモル比を３０以下として、ＡｌＧａＡｓ層を形成することを特徴とする請求項１記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項３】
前記ＡｌＧａＡｓ層形成工程の前に、該ＡｌＧａＡｓ層の下地となる発光層を有機金属化合物気相エピタキシャル成長法により形成する発光層形成工程を有し、
前記ＡｌＧａＡｓ層形成工程では、前記発光層形成工程にて発光層を形成するときよりも低温でＡｌＧａＡｓ層を形成することを特徴とする請求項１又は２記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項４】
前記化合物が、アルキルアルシンであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項５】
前記アルキルアルシンが、アルキル基として、メチル基、エチル基、ブチル基の少なくとも何れかを１つ以上有してなるものであることを特徴とする請求項４記載の発光ダイオードの製造方法。
【請求項６】
前記ブチル基が、ターシャリーブチル基であることを特徴とする請求項５記載の発光ダイオードの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウインドウ層としてのＡｌＧａＡｓ層を形成するＡｌＧａＡｓ層形成工程を有する発光ダイオード(ＬＥＤ)の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＥＤは、各種表示用光源として広く用いられている。特に、ＬＥＤを屋外ディスプレイや交通信号等の光源として用いる場合には、高出力で信頼性が高く、しかも安価であることが求められる。高出力を得るために、ＬＥＤにおける発光層の上部に位置するいわゆるウインドウ層の厚膜化が行われている。ウインドウ層の材料としては、例えば特許文献１に開示されているように、ＡｌＧａＡｓが広く用いられている。
【０００３】
ここで、高出力を得るためのウインドウ層の役割は２つある。一つは、ウインドウ層の名が示すように、これを厚膜化することによって、ＬＥＤチップ内での発光を効率良く取り出すことである。もう一つは、ウインドウ層上に位置する電極(上部電極)から注入された電流を拡散させて、ＬＥＤチップ全体に電流を行き渡らせることである(例えば、特許文献１参照)。
【０００４】
電流拡散の観点からは、ウインドウ層の抵抗率は小さいことが好ましい。このためウインドウ層には、Ｚｎ等の不純物を高濃度でドーピングしてその抵抗率を低減することが行われている。ところが、Ｚｎ等はＡｌＧａＡｓ中での拡散係数が比較的大きいため、高濃度でドーピングすると、これが近隣層にまで拡散し、発光層での発光効率が低下する。更には、厚いウインドウ層を形成しようとする場合、その結晶成長時間が長くなるが、そうすると前述したＺｎ等の近隣層への拡散を助長してしまうことになる。そのため、このことがウインドウ層の厚膜化を妨げる要因となる。
【０００５】
そこで、ＭＯＣＶＤ法(有機金属化学気相成長法)によってＡｌＧａＡｓ層を成長させるときに、意図的にＺｎ等の不純物を添加せず、成長温度を適当に選ぶことによって炭素(Ｃ)のオートドーピングを行い、これにより、ウインドウ層を形成する方法が知られている(例えば、特許文献２参照)。
【０００６】
【特許文献１】
特開平３−１７１６７９号公報（第２−４頁、第１図）
【０００７】
【特許文献２】
特開平１０−３２１９０１号公報（第２−４頁、第１図）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば特許文献２に開示されているように、アルシンをＶ族原料として用いつつ、トリメチルアルミニウム、トリメチルガリウム、トリエチルガリウムをIII族原料として用い、成長温度を適当に選ぶことによって、Ｃ濃度を上昇させる場合では、ＡｌＧａＡｓ結晶中の不純物酸素(Ｏ)濃度を低く抑えるのが難しい。このため、単にＣ濃度を高めるだけでなく、Ｏ濃度を下げるためにアルシンの流量を多くする必要があり、生産コストを低減するという面で不利である。
【０００９】
そこで本発明は、このような課題を解決して、抵抗が低く、且つ厚いＡｌＧａＡｓウインドウ層を有し、出力の高いＬＥＤを製造する技術を提供することを目的とする。また本発明は、発光効率の高いＬＥＤを安価に実現する技術を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ウインドウ層としてのＡｌＧａＡｓ層を形成するＡｌＧａＡｓ層形成工程を有する発光ダイオードの製造方法において、前記ＡｌＧａＡｓ層形成工程では、Ａｓ原料(Ｖ族原料)の一部又は全部として、アルシン(ＡｓＨ3)を構成する水素の一部又は全部を炭化水素基で置換して得られる化合物を用いて、有機金属化合物気相エピタキシャル成長法(ＭＯＶＰＥ法)によりＡｌＧａＡｓ層を形成する発光ダイオードの製造方法が提供される。
【００１１】
本発明において、前記ＡｌＧａＡｓ層形成工程では、Ａｌ及びＧａ原料(III族原料)の供給量に対する、前記Ａｓ原料(Ｖ族原料)の供給量のモル比(Ｖ／III比)を３０以下として、ＡｌＧａＡｓ層を形成するのが好ましい。より好ましくは、前記モル比は１５以下である。
【００１２】
本発明の具体的な態様では、前記ＡｌＧａＡｓ層形成工程の前に、該ＡｌＧａＡｓ層の下地となる発光層をＭＯＶＰＥ法により形成する発光層形成工程を有し、前記ＡｌＧａＡｓ層形成工程では、前記発光層形成工程にて発光層を形成するときよりも低温でＡｌＧａＡｓ層を形成するのが好ましい。ここでいう発光層とは、例えば、活性層がクラッド層で挟まれてなるダブルへテロ構造を有するもの全体を指す。但し、発光層における層構造は特に限定されず、シングルへテロ構造や、ホモ接合構造を有するものも含む。
【００１３】
本発明において、前記化合物としては、アルキルアルシンが好適に用いられる。具体的には、アルキルアルシンとしては、アルキル基として、メチル基、エチル基、ブチル基の少なくとも何れかを１つ以上有してなるものが好ましい。より具体的には、前記化合物は、(モノ)エチルアルシン、ジエチルアルシン、トリエチルアルシン、(モノ)メチルアルシン、ジメチルアルシン、トリメチルアルシンの何れかであるのが好ましい。また、より具体的には、前記ブチル基としては、ターシャリーブチル基が好ましい。この場合は、前記化合物として、ターシャリーブチルアルシンを用いることができる。ここで、ヒ素へのターシャリーブチル基の結合数は、特に限定されないが、(モノ)ターシャリーブチルアルシン(Ｃ4Ｈ9ＡｓＨ2)が好適に用いられる。
【００１４】
【作用】
ＡｌＧａＡｓ層形成工程では、アルシンを構成する水素の一部又は全部を炭化水素基で置換して得られる化合物を用いるから、ＭＯＶＰＥ法によりＡｌＧａＡｓ層を形成する過程で、該ＡｌＧａＡｓ層には、炭化水素基のＣがオートドープする。ドーパントとしてＺｎ等の２価の元素を用いずに、オートドープによるＣを使用しているため、近隣層への拡散が最小限に抑えられ、従ってウインドウ層の厚膜化を実現できる。また、前記化合物をＶ族原料(Ａｓ原料の一部又は全部)として用いたことにより、ＡｌＧａＡｓ層成長時におけるＶ族原料の流量を多くすることなく、当該結晶中の不純物酸素(Ｏ)の濃度を低く抑える一方、Ｃ濃度を向上できるようになる。
【００１５】
特に、Ａｌ及びＧａ原料(III族原料)の供給量に対する、Ａｓ原料(Ｖ族原料)の供給量のモル比(Ｖ／III比)を３０以下として、ＡｌＧａＡｓ層を形成することにより、Ｃ濃度を容易に向上でき、抵抗率の低いウインドウ層を実現できる。
【００１６】
また、ＡｌＧａＡｓ層形成工程では、発光層形成工程にて発光層を形成するときよりも低温でＡｌＧａＡｓ層を形成することにより、ウインドウ層の結晶成長中における発光層への実効的な熱履歴を小さくできる。その結果、発光層の劣化を最低限に抑制でき、出力の高いＬＥＤを実現できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、実施の形態によるＬＥＤ(ＬＥＤ用エピタキシャルウエハ)の構成を示す。このＬＥＤは、下地基板としてのＧａＡｓ基板１上に、バッファ層２を介して、発光層３とウインドウ層４とがこの順に積層されて構成されている。発光層３は、活性層３２が、下部クラッド層３１と、上部ウインドウ層３３とで挟まれてなるダブルヘテロ構造を有する。尚、ウインドウ層４の上には上部電極５が設けられ、ＧａＡｓ基板１の裏面には裏面電極６が設けられている。
【００１８】
以下、このＬＥＤの製造方法の要部について、図２を参照しながら説明する。本実施の形態では、活性層３２として(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ層を有し、ウインドウ層４としてＡｌＧａＡｓ層を有するＬＥＤを製造する。また、このＬＥＤを構成する全ての層は、ＭＯＶＰＥ法により形成する。
【００１９】
〔バッファ層形成工程Ａ〕
まず、ＭＯＶＰＥ装置の成長炉内にｎ型ＧａＡｓ単結晶基板１を配置する。そして、基板１の温度が７００℃に達したときに、該基板１上に、ｎ型の導電性を有し厚さ０．５[μｍ]のＧａＡｓ層をバッファ層２として形成する。ここで、Ｇａ原料としてはトリメチルガリウムを使用でき、Ａｓ原料としてはアルシンを使用できる。
【００２０】
〔発光層形成工程Ｂ〕
次に、基板１の温度を７００℃に維持したままで、ｎ型の導電性を有し厚さ１．０[μｍ]の(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐ下部クラッド層３１、アンドープの厚さ０．５[μｍ]の(Ａｌ0.1Ｇａ0.9)0.5Ｉｎ0.5Ｐ活性層３２、Ｐ型の導電性を有し厚さ１．０[μｍ]の(Ａｌ0.7Ｇａ0.3)0.5Ｉｎ0.5Ｐ上部クラッド層３３をこの順に形成する。これにより、発光層３が構成される。ここで、Ｇａ，Ａｌ，Ｉｎ原料としては、それぞれトリエチルガリウム又はトリメチルガリウム、トリエチルアルミニウム又はトリメチルアルミニウム、トリメチルインジウムを使用できる。Ｐ原料としては、フォスフィン(ＰＨ3)を使用できる。
【００２１】
〔ウインドウ層(ＡｌＧａＡｓ層)形成工程Ｃ〕
次に、基板１の温度を、発光層３を形成したときの温度である７００℃よりも低い５００℃に設定し、ウインドウ層４としてのＡｌＧａＡｓ層を形成する。このとき、Ａｓ原料としては、トリメチルアルシン又はターシャリーブチルアルシンを用いることができる。これにより、ＡｌＧａＡｓ層の成長過程で、該ＡｌＧａＡｓ層に、メチル基又はブチル基の炭素がオートドープする。
【００２２】
尚、Ａｌ原料としては、トリエチルアルミニウム、又はトリメチルアルミニウムを用いることができる。Ｇａ原料としては、トリエチルガリウム又はトリメチルガリウムを用いることができる。
【００２３】
このウインドウ層形成工程Ｃでは、III族原料(Ａｌ及びＧａ)のモル供給量と、Ｖ族原料(Ａｓ)のモル供給量の比(Ｖ／III)は、０．２〜３０とするのが好ましい。ここまでの工程で、ＬＥＤ用エピタキシャルウエハが得られる。
【００２４】
〔チップ製作工程〕
次に、得られたＬＥＤエピタキシャルウエハをダイシングして、ＬＥＤチップを製作する。チップの大きさは、例えば３００[μｍ]角とすることができる。尚、エピタキシャルウエハで基板側にあたるチップ下面全体にＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金からなる下部電極６を形成し、ウインドウ層４側にはＡｕ−Ｚｎ−Ｎｉ合金からなる直径１５０[μｍ]の円形の上部電極５を形成する。以上により、ＬＥＤが完成する。
【００２５】
〔実施例１〕
以上の方法で得られたＬＥＤチップをステム上に組み、積分球と直流電源によりＬＥＤの発光特性を調べた結果、２０[ｍＡ]通電時の発光出力は９０ａ.ｕ.であった。これに対し、比較例としてＡｓＨ3及びトリメチルガリウム又はトリエチルガリウムを供給することによってＡｌＧａＡｓウインドウ層を形成したＬＥＤエピタキシャルウエハを用いて、上記と同様の工程により、ＬＥＤチップを製作し、出力を測定したところ、同じ２０[ｍＡ]通電時の発光出力は６０ａ.ｕ.であった。即ち、本発明を適用したＬＥＤでは、従来のＬＥＤに比べると発光出力を５０％増加させることができた。
【００２６】
〔実施例２〕
上記ウインドウ層形成工程Ｃにおいて、基板温度５００℃でＡｌＧａＡｓ層４を形成するときの、Ａｌ及びＧａ原料の供給量に対する、Ａｓ原料の供給量のモル比(Ｖ／III比)と、ＡｌＧａＡｓ層４中の炭素濃度、及び抵抗率の関係を調べた。結果を図３に示す。図３では、横軸にＡｌＧａＡｓ層成長時の前記モル比(Ｖ／III比)を対数でとり、左側の縦軸にＡｌＧａＡｓ層４中の炭素濃度をとり、右側の縦軸にＡｌＧａＡｓ層の抵抗率をとったグラフである。
【００２７】
図示のように、モル比１０〜４０の幅において、Ｃ濃度が急峻に向上し、抵抗率が低下するという臨界性がみられる。特に、Ｖ／III比を３０以下とすることにより、ＡｌＧａＡｓ中のＣ濃度を１×１０18[cm-3]以上とすることができ、該ＡｌＧａＡｓの抵抗率を低く抑えることができる。このことから、Ｖ／III比を３０以下、好ましくは１５以下にすると、高出力を得るためにウインドウ層に求められる要件である低抵抗化を容易に実現できるといえる。
【００２８】
〔実施例３〕
上記ウインドウ層形成工程Ｃにおいて、Ａｓ原料として、トリメチルアルシン(Ａｓ(ＣＨ3)3)を用いた場合における、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ層４中のＣ濃度及びＯ濃度の成長温度に対する変化を調べた。また、比較例として、Ａｓ原料としてアルシン(ＡｓＨ3)を用いた場合における、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ層中のＣ濃度及びＯ濃度の成長温度に対する変化を調べた。これらの実施例と比較例において、ＩＩＩ族原料の供給量に対するＶ族原料の供給量のモル比(Ｖ／III比)は、ともに１５とした。結果を図４に示す。図４は、横軸にＡｌＧａＡｓ層成長時の成長温度[℃]をとり、縦軸に濃度[cm-3]をとったグラフである。
【００２９】
図示のように、アルシンを用いてＣのオートドープを行った比較例に比べると、トリメチルアルシンを用いてＣのオートドープを行った本実施例によるＡｌＧａＡｓ層では、４５０〜５５０℃の全ての成長温度範囲において、Ｃ濃度を向上することができ、Ｏ濃度を低減することができた。このことから、Ａｓ原料としてトリメチルアルシンを用いることの有効性が示された。
【００３０】
また、図示のように、Ｃ濃度(Ｃのオートドープの量)は、エピタキシャル成長のときの成長温度を低くする程、高めることができる。但し、単に成長温度を低くするのみでは、Ｏ濃度も高くなってしまうので、両者の兼ね合いを考慮する必要がある。この点、成長温度が略５００℃の領域では、Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ中のＯ濃度を、比較例に比べて半分以下にすることができた。このことから、ウインドウ層成長工程Ｃにおいては、４５０〜５５０℃、好ましくは５００℃の温度下で、ＡｌＧａＡｓ層を成長すると容易にキャリア濃度を高めることができるといえる。
【００３１】
上記実施の形態によれば、次のような効果が得られる。
【００３２】
(1)基板上に発光層を形成する発光層形成工程Ｂと、次いで該発光層の上にＡｌＧａＡｓ層を形成するＡｌＧａＡｓ層形成工程Ｃとを有し、これらの工程で有機金属化合物気相エピタキシャル成長法を用いる発光ダイオードの製造方法において、ＡｌＧａＡｓ層形成工程Ｃでは、Ａｓ原料の一部または全部として、トリメチルアルシンやターシャリーブチルアルシンを用い、該Ａｓ原料の供給量と、Ａｌ及びＧａ原料の供給量とのモル比(Ｖ／III)を３０以下とし、発光層形成工程Ｂのときよりも低温でＡｌＧａＡｓ層を形成することにより、Ｖ族原料の流量を多くすることなく、当該結晶中の不純物酸素(Ｏ)の濃度を低く抑えながら、Ｃ濃度を向上できるようになる。これにより、上記特許文献２の技術に比べると、生産コストを低減でき、安価にＬＥＤを実現できる。
【００３３】
(2)ドーパントとしてＺｎ等の２価の元素を用いずに、オートドープによるＣを使用しているため、近隣層への拡散が最小限に抑えられ、従ってウインドウ層の厚膜化を実現できる。つまり、ＬＥＤ特性を劣化させる原因となっていたＺｎ等を低減したのにも拘わらず、低抵抗でしかも従来以上に厚いウインドウ層を形成できるから、該ウインドウ層の電流拡散特性が向上し、また発光層での発光を一層効率よく取り出せるようになる。
【００３４】
(3)Ａｌ及びＧａ原料(III族原料)の供給量に対する、Ａｓ原料(Ｖ族原料)の供給量のモル比(Ｖ／III比)を３０以下として、ＡｌＧａＡｓ層を形成することにより、Ｃ濃度を容易に向上でき、抵抗率の低いウインドウ層を実現できる。
【００３５】
(4)ＡｌＧａＡｓ層形成工程Ｃでは、発光層形成工程Ｂにて発光層を形成するときよりも低温でＡｌＧａＡｓ層を形成することにより、ウインドウ層の結晶成長中における発光層への実効的な熱履歴を小さくできる。その結果、発光層の劣化を最低限に抑制でき、出力の高いＬＥＤを実現できる。
【００３６】
(5)ＭＯＶＰＥ法によって全てのＬＥＤ構成層を形成するから、その成長温度及び原料を制御することによって、発光層３の劣化を防ぎつつ、低抵抗のＡｌＧａＡｓ層を発光層の上部に形成できる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、抵抗が低く、且つ厚いＡｌＧａＡｓウインドウ層を有し、出力の高いＬＥＤを実現できる。また本発明によれば、発光効率の高いＬＥＤを安価に実現できる。また本発明によれば、発光出力の大きなＬＥＤ用エピタキシャルウエハを容易に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態によるＬＥＤの構成を模式的に示す断面図。
【図２】実施の形態によるＬＥＤの製造方法における基板温度とガス供給状況を示す図。
【図３】ＡｌＧａＡｓ層形成時におけるモル比(Ｖ／III比)とＣ濃度及び抵抗率の関係を示す図。
【図４】Ｖ族原料の違いに対するＡｌＧａＡｓ層中のＣ及びＯ濃度の変化を示す図。
【符号の説明】
１  基板
２  バッファ層
３  発光層
４  ウインドウ層(ＡｌＧａＡｓ層)
５  上部電極
６  下部電極
Ａ  バッファ層形成工程
Ｂ  発光層形成工程
Ｃ  ウインドウ層形成工程
【図１】
2004207549.tif 000003
【図２】
2004207549.tif 000004
【図３】
2004207549.tif 000005
【図４】
2004207549.tif 000006