(57)【要約】【課題】成長プロセスと適合する方法で荒らした凹凸表面を持ち、これによりウェハ最表面での全反射による光取り出し効率低下の問題を解決した発光ダイオードを提供する。【解決手段】気相成長法を用いて導電性基板上に、（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなるｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層及びＡｌxＧ1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）もしくは（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなる電流分散層を順に積層したダブヘテロ構造の発光ダイオードにおいて、成長後に熱処理を施すことで最表面層である電流分散層５又は１３の表面に凸凹５ａ、１３ａを形成した構造とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気相成長法を用いて導電性基板上に、（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなるｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層及びＡｌxＧ1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）もしくは（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなる電流分散層を順に積層したダブヘテロ構造の発光ダイオードにおいて、
成長後に熱処理を施すことで最表面層である電流分散層の表面に凸凹を形成したことを特徴とする発光ダイオード。
【請求項２】
請求項１記載の発光ダイオードにおいて、
前記電流分散層の表面の凹凸の形成方法が、ガス雰囲気中又は真空中の熱処理であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項３】
請求項２記載の発光ダイオードにおいて、
前記ガス雰囲気が、水素や窒素、不活性ガスであることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の発光ダイオードにおいて、
前記熱処理の温度が前記電流分散層の成長温度であることを特徴とする発光ダイオード。
【請求項５】
請求項４記載の発光ダイオードにおいて、
前記電流分散層の成長終了後、キャリアガスである水素のみを流した状態で、そのまま所定時間、成長温度で熱処理を行って、電流分散層の表面に凸凹を形成したことを特徴とする発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光取り出し効率を高める為に最表面層を故意に凸凹に荒らした発光ダイオード（ＬＥＤ）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の高輝度発光ダイオード用エピタキシャルウェハは、ＭＯＶＰＥ法やハイドライドＶＰＥ法といった気相成長法を用いて作製させることが多い。
【０００３】
ＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ：有機金属気相成長）法を例にとって説明する。成長は結晶基板をヒータで加熱し、そこにキャリアガスとして水素や窒素を用いてIII族原料となるＴＭＧ（トリメチルガリウム）やＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、ＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ｖ族原料となるＡｓＨ3（アルシン）、ＰＨ3（ホスフィン）を供給し、熱分解反応により結晶成長させる。
【０００４】
図２に（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）のダブルヘテロ構造の発光ダイオードの断面模式図を示す。６５０℃に加熱したｎ型ＧａＡｓ基板１上にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２、活性層３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４、更に最表面に（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）もしくはＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）の電流分散層６を積層成長する。電流分散層６の成長終了と同時にヒータを切り、温度を下げて成長は完了である。
【０００５】
こうして成長したウェハは従来鏡面であり、表面平坦性も非常に良い。このウェハにチップ作製プロセスを行い、ｎ型電極、ｐ型電極を形成するとＬＥＤチップが完成する。完成したチップの電極間に電流を流すことにより活性層３で発光する。発光した光はさまざまな方向に広がり、外部に光として取り出される。
【０００６】
しかし活性層で発光した光は、全てを外部に取り出すことは困難である。それは、結晶中を伝搬する際に吸収されたり、ウェハ最表面と空気との界面で全反射してしまい外部に放出されないものがあるからである。
【０００７】
光の取り出し効率を高くするために、ｐｎ接合を有する半導体ウェハをチップ状に１つ１つ切断して得られるペレットの表面を粗面化する処理方法は、既に知られている。ペレットの表面を粗面化すると、光放出面と空気との界面で光が全反射する確率が下がるので、取り出し効率を高くすることができると考えられる。
【０００８】
またＧａＡｓＰ混晶に対しては、そのペレットをＢｒ2又はＩ2を水溶液中に含むエッチング液で処理して、主表面に微細な凹凸を形成た発光ダイオードが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２０００−１９６１４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記したように活性層で発光した光は、全てを外部に取り出すことは困難である。それは、結晶中を伝搬する際に吸収されたり、ウェハ最表面と空気との界面で全反射してしまい外部に放出されないものがあるからである。特に、気相成長法で作製したウェハ表面は平坦性が良好な為、光の全反射が起こりやすく、光の取り出し効率を低下させてしまう。そのため発光ダイオードの発光強度が低下する原因となる。
【００１０】
しかしながら、特許文献１は湿式のエッチングにより表面を凹凸に荒らす技術であり、気相成長法で作製したウェハ表面を荒らす技術として適合性が悪い。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、成長プロセスと適合する方法で荒らした凹凸表面を持ち、これによりウェハ最表面での全反射による光取り出し効率低下の問題を解決した、発光強度の大きい発光ダイオードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成したものである。
【００１３】
請求項１の発明に係る発光ダイオードは、気相成長法を用いて導電性基板上に、（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなるｎ型クラッド層、発光層、ｐ型クラッド層及びＡｌxＧ1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）もしくは（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）からなる電流分散層を順に積層したダブヘテロ構造の発光ダイオードにおいて、成長後に熱処理を施すことで最表面層である電流分散層の表面に凸凹を形成したことを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１記載の発光ダイオードにおいて、前記電流分散層の表面の凹凸の形成方法が、ガス雰囲気中又は真空中の熱処理であることを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項２記載の発光ダイオードにおいて、前記ガス雰囲気が、水素や窒素、不活性ガスであることを特徴とする。
【００１６】
なお、不活性ガスとしては、アルゴンが好適に用いられる。
【００１７】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発光ダイオードにおいて、前記熱処理の温度が前記電流分散層の成長温度であることを特徴とする。
【００１８】
請求項５の発明は、請求項４記載の発光ダイオードにおいて、前記電流分散層の成長終了後、キャリアガスである水素のみを流した状態で、そのまま所定時間、成長温度で熱処理を行って、電流分散層の表面に凸凹を形成したことを特徴とする。
【００１９】
＜発明の要点＞
本発明では、活性層で発光した光がウェハ表面から空気中へ放出するときに表面で全反射する確率を減少させる為に、表面層であるＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）又は（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）電流分散層の表面を故意に凸凹に荒らしている。凸凹に荒らす手段としては、湿式のエッチングが知られている（特許文献１：特開２０００−１９６１４１号公報）が、本発明では、ウェハ成長プロセス中に熱処理を行うことで、結晶表面を少し熱分解させて凸凹に荒らすことを可能にしている。熱処理の雰囲気は、成長プロセスで用いている窒素や水素の他、不活性ガスであるアルゴン等を用いる。また、真空中で行ってもよい。
【００２０】
本発明において熱処理雰囲気に窒素や水素等を用いるのは、ＭＯＶＰＥ法では一般に原料のキャリアガスとして水素や窒素が用いられるからである。水素や窒素は、成長させた結晶に対し不活性であること、更にはＭＯＶＰＥ法での成長プロセス中に使用している為、成長完了後に一貫して熱処理を行えば、新たな熱処理プロセスは不要となり、簡便、且つ短時間で熱処理が行える為である。真空中も成長した結晶に不活性であること、ＭＯＶＰＥ法での成長プロセス中に簡便に行えることにより適している。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように本発明によれば、成長後に熱処理を施すことで最表面層である電流分散層の表面に凸凹を形成しているので、湿式エッチングにより凹凸を形成する場合に較べ、ＬＥＤの気相成長との適合性が極めて良い。
【００２２】
従って、本発明を用いれば、簡便にウェハ最表面を凸凹に荒らすことができる為、光の取り出し効率がよくなり、発光ダイオードにした時の発光強度が高くなる。
【００２３】
また、本発明を用いたエピタキシャルウェハは表面が凸凹しているために電極形成時の接触面積が増え、コンタクト抵抗が減少する。これによりＬＥＤ特性の一つである順方向電圧（Ｖｆ）を減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態を図示の実施例に基づいて説明する。
【００２５】
＜実施例１＞
まず従来例として、有機金属気相成長法を用いて、従来技術の方法でＬＥＤ用エピタキシャルウェハ（図２）を成長した。この従来例の成長の一例を下記に示す。
【００２６】
図２において、６５０℃に加熱したｎ型ＧａＡｓ基板１上にｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層３、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層４、更に最表面に（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ（０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１）もしくはＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ＜１）の電流分散層６を積層成長する。電流分散層６の成長終了と同時にヒータを切り、冷却した。成長したウェハ表面は鏡面であり、平坦性も良好だった。
【００２７】
次に本実施例にかかる成長方法で作製したＬＥＤ用エピタキシャルウェハ（図１）の成長を記す。
【００２８】
最表面層であるＡｌＧａＩｎＰもしくはＡｌＧａＡｓの電流分散層６までは、図２の従来の成長と同じく成長した。電流分散層６成長終了後、原料の供給を断ち、キャリアガスである水素のみで、そのまま１５分間成長温度で熱処理を行い、その後冷却し取り出した。
【００２９】
取り出したウェハ表面を電子顕微鏡で観察したところ、電流分散層６の表面が細かく凸凹に荒れていた。作製したエピタキシャルウェハの断面模式図を図１に記す。この図１中には、凸凹５ａの有るＡｌＧａＩｎＰもしくはＡｌＧａＡｓ電流分散層が符号５で示されている。
【００３０】
これら従来例（図２）と本実施例（図１）の成長方法で作成したウェハを、それぞれチップ作製プロセスにかけてｎ型電極、ｐ型電極を形成し、発光ダイオードチップを作成した。これらの発光ダイオードチップに２０ｍＡの電流を流して発光させ、その発光強度を比較した。従来の成長方法で作製したウェハの発光ダイオードチップ（図２）は発光強度が１００ｍｃｄだったの対し、本実施例の製造方法のウェハの発光ダイオードチップ（図１）については１２０ｍｃｄと２０％も輝度が向上していた。
【００３１】
＜実施例２＞
まず従来例として、有機金属気相成長法を用いて、従来技術の方法でＬＥＤ用エピタキシャルウェハ（図３）を成長した。下記に成長の一例を示す。
【００３２】
基板をヒータにて６５０℃に加熱し、そこにキャリアガスとして水素を用いてIII族原料となるＴＭＧ、ＴＭＡ、ＴＭＩ、Ｖ族原料となるＡｓＨ3、ＰＨ3、ドーパントとなるＨ2Ｓｅ（セレン化水素）、ＤＥＺ（ジエチル亜鉛）を必要に応じ供給し成長を行った。
【００３３】
図３に成長したＬＥＤ用エピタキシャルウェハ（従来例）の断面模式図を記す。ＳｉドープＧａＡｓ基板上７にＳｅドープＧａＡｓバッファ層８、ＳｅドープＡｌＧａＩｎＰクラッド層９、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層１０、ＺｎドープＡｌＧａＩｎＰクラッド層１１を順に積層成長し、最後にＺｎドープＡｌＧａＡｓ電流分散層１２を成長し、成長完了と同時にヒータを切り冷却した。成長したウェハ表面は鏡面であり、平坦性も良好だった。
【００３４】
次に本発明にかかる成長方法で作製したＬＥＤ用エピタキシャルウェハ（図４）の成長を記す。
【００３５】
最表面層であるＺｎドープＡｌＧａＡｓ電流分散層１２までは図３の従来の成長と同じく成長した。電流分散層１２の成長終了後、原料であるＴＭＧ、ＴＭＡ、ＤＥＺ及びＡｓＨ3の供給を断ち、キャリアガスである水素のみで、そのまま１５分間成長温度で熱処理を行い、その後冷却し取り出した。
【００３６】
取り出したウェハ表面を電子顕微鏡で観察したところ、電流分散層１２の表面が細かく凸凹に荒れていた。作製したエピタキシャルウェハの断面模式図を図４に記す。この図４中には、凸凹１３ａの有るＺｎドープＡｌＧａＡｓ電流分散層が符号１３で示されている。
【００３７】
これら従来例（図３）と本実施例（図４）の成長方法で作成したウェハを、それぞれチップ作製プロセスにかけてｎ型電極、ｐ型電極を形成し、発光ダイオードチップを作成した。これらの発光ダイオードチップに、２０ｍＡの電流を流して発光させ、その発光強度を比較した。従来の成長方法で作製したウェハの発光ダイオードチップ（図３）は発光強度が１００ｍｃｄであったの対し、本実施例の製造方法のウェハの発光ダイオードチップ（図４）については１２０ｍｃｄと２０％も輝度が向上していた。
【００３８】
＜他の実施例、変形例＞
上記実施例では、凹凸を形成するための熱処理を、成長完了後そのまま一貫して行ったが、一度ＭＯＶＰＥ装置から取り出して、別の熱処理炉で熱処理を行い表面を凸凹に荒らす方法も考えられる。
【００３９】
また上記実施例では、熱処理中の雰囲気を水素としたが、ＡｓＨ3を微量に混ぜた混合ガスでもよい。さらに、水素、窒素、アルゴンの混合ガス雰囲気であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施例にかかる発光ダイオード用エピタキシャルウェハのチップ断面模式図である。
【図２】従来技術の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの断面模式図である。
【図３】従来技術の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの断面模式図である。
【図４】本発明の実施例にかかる発光ダイオード用エピタキシャルウェハのチップ断面模式図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  基板
２  クラッド層
３  活性層
４  クラッド層
５、６  電流分散層
５ａ  凸凹
７  基板
８  バッファ層
９  クラッド層
１０  活性層
１１  クラッド層
１２、１３  電流分散層
１３ａ  凸凹
【図１】
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【図２】
2005079266.tif 000004
【図３】
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【図４】
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