(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板上に、ＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる第１導電型のクラッド層と、直接、或いはＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなるノンドープの活性層を介して、ＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる第２導電型のクラッド層を順次エピタキシャル成長させ発光層を形成し、
第２導電型のＧａＰ基板表面に、反応ガス、キャリアガスとともに第２導電型のドーパントガスを導入し、成膜温度６００〜８００℃、圧力１０〜１００Ｔｏｒｒで一定に保持することにより、表面のキャリア濃度の同一基板面内におけるばらつきを１．０〜５．０×Ｅ１８（ｃｍ−３）となるように制御して、ＭＯＣＶＤ法により第２導電型のＧａＰバッファ層をエピタキシャル成長させ、
前記発光層表面と、前記ＧａＰバッファ層表面を接着し、
前記半導体基板を除去し、
前記発光層表面及び前記ＧａＰ基板裏面に夫々電極を形成することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項２】
第１導電型の半導体基板上に、ＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる第１導電型のクラッド層と、直接、或いはＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなるノンドープの活性層を介して、ＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる第２導電型のクラッド層を順次エピタキシャル成長させ発光層を形成し、
第２導電型のＧａＰ基板表面に、反応ガス、キャリアガスとともに第２導電型のドーパントガスを導入し、表面のキャリア濃度の同一基板面内におけるばらつきを１．０〜５．０×Ｅ１８（ｃｍ−３）となるように制御して、ＭＯＣＶＤ法により第２導電型のＧａＰバッファ層をエピタキシャル成長させ、
前記発光層表面と、前記ＧａＰバッファ層表面を接着し、
前記半導体基板を除去し、
前記発光層表面及び前記ＧａＰ基板裏面に夫々電極を形成することを特徴とする光半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記発光層表面と前記ＧａＰバッファ層表面を重ね合わせ、少なくとも５００℃以下の低温、７００℃以上の高温での２段階で加熱圧着することにより、前記発光層表面と前記ＧａＰバッファ層表面を接着することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記発光層表面と前記ＧａＰバッファ層表面を重ね合わせ、不活性ガス雰囲気中で加熱圧着することにより、前記発光層表面と前記ＧａＰバッファ層表面を接着することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光半導体装置の製造方法。
【請求項５】
第１導電型のＧａＰ基板と、
前記ＧａＰ基板上に形成され、表面のキャリア濃度の同一基板面内におけるばらつきが１．０〜５．０×Ｅ１８（ｃｍ−３）のエピタキシャル膜を含む第１導電型のＧａＰバッファ層と、
このＧａＰバッファ層表面上に形成されたＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる第１導電型の第１のクラッド層と、
この第１のクラッド層上に直接、或いはノンドープのＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる活性層を介して形成されたＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる第２導電型の第２のクラッド層と、
この第２のクラッド層上に形成された第１の電極と、
前記ＧａＰ基板の裏面に形成された第２の電極を備えることを特徴とする光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光半導体装置の製造方法に係り、特に高輝度ＬＥＤの基板接着工程に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高機能の表示パネルに用いられる赤色系等のＬＥＤにおいては、例えば、図１０に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板上１４に、ＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなるｎ型クラッド層１５、活性層１６、ｐ型クラッド層１７を夫々エピタキシャル成長させた発光層１８が形成されており、ｎ型ＧａＡｓ基板裏面上及び発光層表面上にそれそれ電極１９、２０が形成されている。そして、両電極に電圧を印加することにより発光層において光を発生させ、外部に取出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発光時に外部に取出されるべき光はＧａＡｓ基板側にも進み、そこで吸収されてしまうため、発光効率が低下するという問題があった。そこで発光層直下に反射層を設けて高効率化を図ったが、十分とはいえなかった。また、ＧａＡｓ基板を黄色から赤色に対して透明なＧａＰ基板と置き換えることが検討されたが、格子定数が異なりＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体をエピタキシャル成長することができない。
【０００４】
そこで、逆に発光層上にＧａＰ基板を貼り合せる基板接着プロセスが検討された。貼り合せにより格子定数の異なる結晶を結晶性に影響することなく積層することが可能となる。
【０００５】
しかしながら、ｐ型ＧａＰ基板は、キャリア濃度の制御が困難で、実際キャリア濃度０．５〜５×Ｅ１８（ｃｍ−３）というばらつきがある状態で供給されるので、これを発光層に直接接着すると、図９に示すように、基板接着面のキャリア濃度に支配される接着界面における抵抗値も大きく変化し、デバイス不良を引き起こす、という問題があった。
【０００６】
本発明は、従来の光半導体装置の製造方法における欠点を取り除き、ＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる発光層とＧａＰ基板を、接着界面抵抗を精度良く制御して貼り合せることが可能な光半導体装置の製造方法及び光半導体装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様の光半導体装置の製造方法は、第１導電型の半導体基板上に、ＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる第１導電型のクラッド層と、直接、或いはＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなるノンドープの活性層を介して、ＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる第２導電型のクラッド層を順次エピタキシャル成長させ発光層を形成し、第２導電型のＧａＰ基板表面に、反応ガス、キャリアガスとともに第２導電型のドーパントガスを導入し、成膜温度６００〜８００℃、圧力１０〜１００Ｔｏｒｒで一定に保持することにより、表面のキャリア濃度の同一基板面内におけるばらつきを１．０〜５．０×Ｅ１８（ｃｍ−３）となるように制御して、ＭＯＣＶＤ法により第２導電型のＧａＰバッファ層をエピタキシャル成長させ、前記発光層表面と、前記ＧａＰバッファ層表面を接着し、前記半導体基板を除去し、前記発光層表面及び前記ＧａＰ基板裏面に夫々電極を形成することを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の一態様の光半導体装置の製造方法は、第１導電型の半導体基板上に、ＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる第１導電型のクラッド層と、直接、或いはＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなるノンドープの活性層を介して、ＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる第２導電型のクラッド層を順次エピタキシャル成長させ発光層を形成し、第２導電型のＧａＰ基板表面に、反応ガス、キャリアガスとともに第２導電型のドーパントガスを導入し、表面のキャリア濃度の同一基板面内におけるばらつきを１．０〜５．０×Ｅ１８（ｃｍ−３）となるように制御して、ＭＯＣＶＤ法により第２導電型のＧａＰバッファ層をエピタキシャル成長させ、前記発光層表面と、前記ＧａＰバッファ層表面を接着し、前記半導体基板を除去し、前記発光層表面及び前記ＧａＰ基板裏面に夫々電極を形成することを特徴とするものである。
【０００９】
そして、本発明の一態様の光半導体装置の製造方法においては、不活性ガス雰囲気中で前記発光層表面と前記ＧａＰバッファ層表面を重ね合わせ、少なくとも５００℃以下の低温、７００℃以上の高温での２段階に加熱圧着することにより、前記発光層表面と前記ＧａＰバッファ層表面を接着することを特徴としている。
【００１０】
さらに、本発明の一態様の光半導体装置の製造方法においては、前記発光層表面と前記ＧａＰバッファ層表面を重ね合わせ、不活性ガス雰囲気中で加熱圧着することにより、前記発光層表面と前記ＧａＰバッファ層表面を接着することを特徴としている。
【００１１】
そして、本発明の一態様の光半導体装置は、第１導電型のＧａＰ基板と、このＧａＰ基板上に形成され、表面のキャリア濃度の同一基板面内におけるばらつきが１．０〜５．０×Ｅ１８（ｃｍ−３）のエピタキシャル膜を含む第１導電型のＧａＰバッファ層と、このＧａＰバッファ層表面上に形成されたＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる第１導電型の第１のクラッド層と、この第１のクラッド層上に直接、或いはノンドープのＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる活性層を介して形成されたＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる第２導電型の第２のクラッド層と、この第２のクラッド層上に形成された第１の電極と、前記ＧａＰ基板の裏面に形成された第２の電極を備えることを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態について、図1乃至図９を参照して説明する。
【００１３】
本発明の光半導体装置は、図１に示すように、ｐ型ＧａＰ基板１上にｐ型ＧａＰバッファ層２、ｐ型クラッド層３、活性層４、ｎ型クラッド層５からなる発光層６が順次積層され、発光層６上にパターニングされたｎ側電極７がｐ型ＧａＰ基板１裏面側にｐ側電極８が形成された構造となっている。
【００１４】
このような光半導体装置は、以下のように形成される。まず、図２に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板９の表面に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、ｎ型クラッド層５を形成する。反応ガスには、トリメチルガリウム（以下ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（以下ＴＭＡ）、トリメチルインジウム（以下ＴＭＩｎ）及びホスフィン（以下ＰＨ３）を用い、ｎ型ドーパントガスのＳｉＨ４とキャリアガスのＨ２とともにＭＯＣＶＤ装置中に導入し、５００〜９００℃でエピタキシャル成長させ、Ｉｎ０．４９（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５１Ｐからなる厚さ０．５μｍのｎ型クラッド層５が形成される。
【００１５】
次いで、活性層４を形成する。ｎ型クラッド層５形成時と同じ種類の反応ガスを用いてキャリアガスのＨ２とともにＭＯＣＶＤ装置中に導入し、同様にしてノンドープでＧａとＡｌの混晶比の異ならせることによりクラッド層よりバンドギャップを小さくしたＩｎ０．４９（Ｇａ０．７５Ａｌ０．２５）０．５１Ｐからなる厚さ０．５μｍの活性層４が形成される。
【００１６】
さらにｐ型クラッド層３を形成する。ｎ型クラッド層５形成時と同じ種類の反応ガスを用い、ｐ型ドーパントガスのジメチル亜鉛（以下ＤＭＺ）とキャリアガスのＨ２とともにＭＯＣＶＤ装置中に導入し、同様にしてＩｎ０．４９（Ｇａ０．３Ａｌ０．７）０．５１Ｐからなる厚さ０．５μｍのｐ型クラッド層３が形成される。このようにしてｎ型クラッド層５、活性層４、ｐ型クラッド層３からなる発光層６が形成される。
【００１７】
一方、図３に示すように、ｐ型ＧａＰ基板１表面に、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型バッファ層２を形成する。反応ガスには、ＴＭＧ及びＰＨ３を用い、ｐ型ドーパントガスのＤＭＺとキャリアガスのＨ２とともにＭＯＣＶＤ装置中に導入し、温度：６００〜８００℃、圧力：３０〜４０Ｔｏｒｒ、ステージ回転数：５００〜１０００ｒｐｍ、ＴＭＧ流量：５０〜１００ｃｃｍ、ＰＨ３流量：２００〜１０００ｃｃｍ、ＤＭＺ流量：５〜２０ｃｃｍでエピタキシャル成長させ、キャリア濃度１．０×Ｅ１８〜５．０×Ｅ１８（ｃｍ−３）のｐ型ＧａＰバッファ層２を０．１〜５．０μｍ形成する。
【００１８】
次いで、このｐ型ＧａＰバッファ層２と、先にｎ型ＧａＡｓ基板９上に形成した発光層６を接着させる。ｐ型ＧａＰバッファ層２表面とｐ型クラッド層３表面を重ね合わせ、Ａｒ雰囲気にて、１回目の熱処理温度：３５０〜５００℃、２回目の熱処理温度：７００〜８００℃で、圧力：約５ｋｇ／ｃｍ２で２段階に加熱圧着することにより、図４に示すように、ｐ型ＧａＰ基板１上にｐ型ＧａＰバッファ層２、発光層６、ｎ型ＧａＡｓ基板９が順次積層された状態を得る。
【００１９】
そして、図５に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板９をＨ２Ｏ２とＨ２ＳＯ４の混合液によりエッチング除去し、露出したｎ型クラッド層５表面にＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉ合金等公知の電極材料からなるｎ側電極７を形成し、さらにｐ型ＧａＰ基板１裏面に、Ａｕ−Ｔｉ合金、Ａｕ−Ｚｎ−Ｎｉ合金等公知の電極材料からなるｐ側電極８を、夫々真空蒸着等公知の方法により形成することにより、図１に示すような構造を得る。
【００２０】
さらに、ｎ側電極７をパターニング後ワイヤー１０を介して、またｐ側電極８（図示せず）を反射板１１を介してリード１２と接続し、樹脂１３で封止することにより、図６に示すような光半導体装置が形成される。
【００２１】
このようにして形成された光半導体素子において、ＧａＰバッファ層２中の深さ方向と面内のキャリア濃度をＳＩＭＳ分析により測定したところ、夫々図７、図８に示すように１．０〜３．０×Ｅ１８（ｃｍ−３）の範囲で精度良く制御されていることがわかる。尚、ＧａＰバッファ層２中のキャリア濃度は、素子の規格により例えば１．０〜５．０×Ｅ１８（ｃｍ−３）の範囲で設定された所定の濃度範囲に制御することが可能である。
【００２２】
また、ＭＯＣＶＤ法により形成されたＧａＰバッファ層２の表面状態は良好で、何ら表面処理を必要とすることなく、発光層６との良好な接着性が得られ、界面抵抗の上昇も認められず、図９に界面抵抗と接着面キャリア濃度との関係を示すように、界面抵抗も精度良く制御されていることがわかる。
【００２３】
尚、本実施形態においては、Ａｒ雰囲気中での２段階の熱処理によってＧａＰバッファ層と発光層の接着を行ったが、Ａｒ等不活性ガス雰囲気中とすることにより、従来のＨ２雰囲気において発光層中のＡｓが抜けてしまうという問題を解消することができ、また、５００℃以下の低温、７００℃以上の高温での２段階の熱処理により、応力緩和が促され、後工程におけるボンディングの際に接着が剥がれてしまうという問題を解消することができる。
【００２４】
このようなＧａＰバッファ層をＭＯＣＶＤ法により形成する際、良好な膜状態を得るとともに、上述のようにキャリア濃度を高精度に制御するためには、成膜時の温度は６００〜８００℃、圧力は１０〜１００Ｔｏｒｒで、成膜中は温度及び圧力をほぼ一定にする必要がある。また、成膜効率を考慮すると、膜厚は１０μｍ未満とする必要がある。
【００２５】
本実施形態において、ＧａＰバッファ層をｐ型とし、ドーパントをＺｎとしたが、Ｍｇでも良い。その場合は、ドーパントガスにはペンタジエニルマグネシウム（ＰＣ２Ｍｇ）を用いることができる。また、ドーパントはＳｉ、Ｓｅ等ｎ型としても良く、その場合は、ドーパントガスには夫々ＳｉＨ４、Ｈ２Ｓｅを用いることができ、ＧａＰ基板はｎ型に、クラッド層の導電型は夫々逆になる。
【００２６】
また、発光層６にＩｎＧａＡｌＰ系化合物半導体を用いたが、ＡｌＧａＡｓ系化合物半導体を用いても良い。また、発光層６において、ｐ型クラッド層３、ｎ型クラッド層の間に活性層４を介していなくても良い。また多重量子井戸構造としても良い。さらに、劣化対策として各クラッド層を２段としても良い。例えば、ｎ−ＩｎＡｌＰ第１クラッド層（０．５５μｍ）／ｎ−Ｉｎ０．４９（Ｇａ０．４Ａｌ０．６）０．５Ｐ第２クラッド層（０．０５μｍ）／ノンドープ活性層（０．５μｍ）／ｐ−Ｉｎ０．４９（Ｇａ０．４Ａｌ０．６）０．５Ｐ第２クラッド層（０．０５μｍ）／ｐ−ＩｎＡｌＰ第１クラッド層（０．５５μｍ）といった構造をとることができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、ＩｎＧａＡｌＰ系又はＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体からなる発光層とＧａＰ基板を、接着界面抵抗を精度良く制御して貼り合せることが可能な光半導体装置の製造方法及び光半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の光半導体装置の構造を示す図。
【図２】  本発明の光半導体装置の製造工程を示す図。
【図３】  本発明の光半導体装置の製造工程を示す図。
【図４】  本発明の光半導体装置の製造工程を示す図。
【図５】  本発明の光半導体装置の製造工程を示す図。
【図６】  本発明の光半導体装置を示す図。
【図７】  本発明の光半導体装置における特性を示す図。
【図８】  本発明の光半導体装置における特性を示す図。
【図９】  本発明、従来例における特性を示す図。
【図１０】  従来の光半導体装置の構造を示す図。
【符号の説明】
１  ｐ型ＧａＰ基板
２  ｐ型ＧａＰバッファ層
３、１７  ｐ型クラッド層
４、１６  活性層
５、１５  ｎ型クラッド層
６、１８  発光層
７、１９  ｎ側電極
８、２０  ｐ側電極
９、１４  ｎ型ＧａＡｓ基板
１０  ワイヤー
１１  反射板
１２  リード
１３  樹脂
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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