磊晶晶圆以及发光二极管的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种磊晶晶圆，能改善在发光波长为670nm以上且690nm以下的范围，自AlGaInp系材料所构成的发光部的发光效率。本发明的磊晶晶圆包含发光层，是由以化学式(AlxGa1?x)yIn1?yP所表示的化合物半导体所构成的第一导电型包覆层、活性层以及第二导电型包覆层所积层而成，其中0≤x≤1，0≤y≤1，该发光层的发光波长为670nm以上且690nm以下，该活性层为阱层与障壁层交互积层而成的量子阱构造，该障壁层的组成为0.20≤x≤0.45，0＜y＜1。
【专利说明】
晶晶晶圆以及发光二极管
技术领域
[0001] 本发明涉及一种磊晶晶圆以及使用此种磊晶晶圆所制造的发光二极管。
技术领域
[0002]
[0003] 使用借由省能源、长寿命并且可小型化的发光二极管的照明的栽培方法受到瞩 目。从至今的研究结果，作为适用于植物育成(光合成）用的光源，660~670nm的范围的红色 光的效果受到确认，特别是发光波长为660nm的光在光合成的反应效率为受高度满意的光 源。另一方面，绿色植物的光的吸收在680nm为高峰，故发光波长为680nm的光作为光合成的 反应效率更高的光源而备受期待。
[0004] 在具有由AlGalnp((AlxGal-X)yIn 1UsxSUOSySl)系材料所构成的发光层的 化合物半导体的发光二极管中，虽然具有GaQ. 5lnQ.5l^^组成的发光层的波长为最长，但是此 以发光层所得到的发光波长(峰值波长)为650nm附近。因此，比650nm长的波长范围借由使 用应变发光层而实现。但是，由于发光波长变长则应变量随之变大的缘故，发光层内部的结 晶缺陷增加，难以实用化与高效率化。
[0005] 为了解决这些问题，专利文献1记载的方法，在活性层为应变发光层与障壁层交互 地积层的积层构造中，借由在障壁层施加与应变发光层为逆向的应变，而缓和在发光层发 生的应变，抑制在应变发光层的内部的结晶缺陷的发生，从而得到高发光效率。再者，专利 文献2记载的方法，其中活性层为应变发光层与障壁层交互地积层的积层构造，应变发光层 的层数为1~7，以及膜厚度为250nm以下，使应变量变小从而得到高发光效率。
[0006] [现有技术]
[0007][专利文献]
[0008][专利文献1]日本特开2012-18986号公报 [0009][专利文献2]日本特开2012-039049号公报
【发明内容】
[0010][发明要解决的技术问题]
[0011] 如同上述，对于在发光波长为650nm以上的波长范围得到高发光效率的课题，虽然 专利文献1与2皆有记载，但是在发光波长为670nm以上的情况下，应变量变大的缘故，发光 层的内部的结晶缺陷增加，无法断言必定能得到高发光效率。
[0012] 由于以上的情况，在使用AlGaInP系材料的发光组件之中，特别是期望提升发光波 长为670nm以上的波长范围的发光效率的缘故，必须优化活性层的构造的参数。
[0013] 有鉴于上述的问题点，本发明的目的在于提供一种磊晶晶圆，能改善发光二极管 的发光波长为670nm以上且690nm以下的范围内，并且由AlGaInP系的材料所构成的发光部 的发光效率。
[0014] [解决问题的技术手段]
[0015] 为达成上述目的，本发明提供一种磊晶晶圆，包含一发光层，该发光层是由以化学 式(AlxGa1- x)yIm-yP(其中，〇SxSl，〇SySl)所表示的化合物半导体所构成的第一导电型 包覆层、活性层以及第二导电型包覆层所积层而成，该发光层的发光波长为670nm以上且 690nm以下。其中，该活性层为阱层与障壁层交互积层而成的量子阱构造，该障壁层的组成 为 〇.20$x$0.45,0<y<l。
[0016] 借由如此将障壁层的组成构成为0.20 SXS0.45，0〈y〈l，发光波长为670~690nm 的发光二极管可得到高发光效率。
[0017] 再者，本发明提供一种发光二极管，使用上述的磊晶晶圆所制造。
[0018] 若为如此的发光二极管，可成为在发光波长为670~690nm的范围内得到高发光效 率的发光二极管。
[0019] 〔对照现有技术的技术效果〕
[0020] 如同上述，本发明的磊晶晶圆，在发光波长为670~690nm的发光二极管可得到高 发光效率。再者，若为本发明的发光二极管，可作为在发光波长为670~690nm的范围内得到 高发光效率的发光二极管。
[0021] 附图简要说明
[0022] 图1是显示本发明的嘉晶晶圆的实施方式的一范例的示意剖面图。
[0023]图2是显示本发明的发光二极管的实施方式的一范例的示意剖面图。
[0024]图3是显示制造本发明的发光二极管的方法的一范例的处理剖面图。
[0025]图4是显示发光波长为680nm时的障壁层的Al组成X与PL强度的关系的图。
【具体实施方式】
[0026] 如同前述，使用AlGaInP系材料的发光组件，特别是为了提升发光波长为670nm以 上的波长范围的发光效率，必须优化活性层的构造的参数。
[0027] 因此，本发明人对于能改善发光波长为670nm以上、690nm以下的范围且自AlGaInP 系材料所构成的发光层的发光效率的磊晶晶圆努力地进行研究。结果发现借由将障壁层的 组成在(AlxGa 1-x)yIm-yP的化学式中设为0.20&$0.45,0< 7<1，而能于发光波长为670~ 690nm的发光二极管得到高发光效率，完成了本发明。
[0028] 以下，参考图式对本发明的实施方式的一范例进行详细的说明，但本发明不限定 于此。
[0029]首先，参考图1对本发明的磊晶晶圆进行说明。
[0030]如图1所不，本实施例的嘉晶晶圆10具有设置于GaAs基板12上的pn接面型的发光 部28,发光部28内则含有作为发光层的一部分的量子阱活性层17。
[0031] 具体为，磊晶晶圆10为于GaAs基板12上经依序磊晶成长第一导电型蚀刻停止层 13、第一导电型接触层14以及发光部28之物。发光部28具有第一导电型电流扩散层15、设置 于第一导电型电流扩散层15之上的发光层27以及设置于发光层27之上的第二导电型电流 扩散层19。
[0032] 发光层27具有第一导电型包覆层16、设置于第一导电型包覆层16之上的量子阱活 性层17以及设置于量子阱活性层17之上的第二导电型包覆层18。量子阱活性层17为阱层 17a与障壁层17b交互积层而成。
[0033] 在此，例如，第一导电型为p型，第二导电型为η型。此情况，详细为，第一导电型蚀 亥Ij停止层13为P-UlxGa 1-x)yIm-yP(但是，0SxSl，0<y<l)，第一导电型接触层14为P-6 &八8，第一导电型电流扩散层15为?-(厶14&1-41111-^(但是，0$1$1，0< 7<1)，第一导电 型包覆层16为P-UlxGa1-x) yIm-yP(但是，0SxSl，0<y<l)，量子阱活性层17之中的阱层 17a为i-Ga yIm-yP(但是，0<y<l)，量子阱活性层17之中的障壁层17b为HAlxGa 1-x)yIm-yP (但是，0.2$1$0.45,0<7<1)，第二导电型包覆层18为11-以14&1-^111 1-^(但是，0$1$ l，0<y<l)，第二导电型电流扩散层19为n-GaP层。此情况，能将量子阱活性层17的阱层17a 的Ga组成y为可变而变成期望的发光波长。本发明的磊晶晶圆的发光波长为670nm以上且 690nm以下，故量子阱活性层17的阱层17a的Ga组成y经设定而使发光波长为670nm以上且 690nm以下。
[0034]本发明的磊晶晶圆借由使量子阱活性层17的障壁层17b的组成为0.20SxS0.45， 〇<y<l，使发光波长为670~690nm的发光二极管能得到高发光效率。
[0035]接下来，参考图2对本发明的发光二极管进行说明。
[0036]如图2所示，本实施方式的发光二极管11系具有发光部28、第一导电型侧(例如p型 侦D的第一欧姆线状电极20与焊垫电极(未图示）、第二导电型侧(例如η型侧)的第二欧姆线 状电极21、透明氧化膜层22、反射金属层23、接合金属层24、导电性支承基板25以及导电性 欧姆电极26。发光二极管11为于导电性支承基板25上依序设置有接合金属层24、反射金属 层23、透明氧化膜层22以及发光部28,第一欧姆线状电极20以及焊垫电极透过第一导电型 接触层14而设置于发光部28之上，第二欧姆线状电极21设置于透明氧化膜层22之中，导电 性欧姆电极26设置于导电性支承基板25的下表面上。构成发光部28的第一导电型电流扩散 层15、发光层27(第一导电型包覆层16、量子阱活性层17以及第二导电型包覆层18)、第二导 电型电流扩散层19与于图1所示的构件相同。再者，第一欧姆线状电极20与第二欧姆线状电 极21系配置为自上方观看不互相重叠的位置。
[0037] 另外，图2的发光二极管11，如同后述，是使用图1的嘉晶晶圆10所制造。若为图2的 发光二极管，可成为在发光波长670~690nm的范围内得到尚发光效率的发光二极管。
[0038] 接下来，对于制造本发明的磊晶晶圆的方法的一范例进行说明。
[0039] 借由MOVPE法，于图1所示的n-GaAs基板12上形成多个AlGaInP系材料的半导体积 层构造。具体为，借由MOVPE法，于n-GaAs基板12之上依序堆积有自p-Gao.5Ino.5P所构成的p 型蚀刻停止层13、自p-GaAs所构成的p型接触层14、自口-(41〇.463().6)().5111().5?所构成的口型电 流扩散层15、自ρ-Α1ο. 5Ιη〇.5Ρ所构成的p型包覆层16、自无参杂的Gao.3lno.7P的阱层17a(膜厚 度为8nm)与无参杂的(AluGao.fOo.sIno.sP的障壁层17b(膜厚度为7.7nm)所构成配对数为4 (阱层数5,障壁层数4)的量子阱活性层17(记载发光波长为680nm的情况）、自η-Α1〇. 5Ιη〇.5Ρ 所构成的η型包覆层18以及自n-GaP所构成的η型电流扩散层19。借此形成如图1所示的磊晶 晶圆10。
[0040] 于此，用于MOVPE法的原料，可使用三甲基镓（TMGa )、三乙基镓（TEGa )、三甲基铝 (TMAl)、三甲基铟(TMIn)等的有机金属化合物，以及砷化氢(AsH3)、磷化氢(PH3)等的氢化物 气体。更进一步，η型参杂物的原料可使用甲硅烷（SiH 4), ρ型参杂物的原料可使用二茂镁 (Cp2Mg)。再者，作为η型参杂物的原料，使用硒化氢(H2Se)、乙硅烷(Si 2H6)、二乙基碲(DETe) 或是二甲基碲(DMTe)亦可。然后，为ρ型参杂物的原料，使用二甲基锌(DMZn)或是二乙基锌 (DEZn)亦可。
[0041] 接下来，参考图3对制造本发明的发光二极管的方法的一范例进行说明。
[0042] 首先，于如同上述所形成的磊晶晶圆10的η型电流扩散层19的表面形成透明氧化 膜层22,并且于透明氧化膜层22之中形成η型侧的第二欧姆线状电极21(参考图3(a)与图3 (b))。具体为，使用等离子体CVD(Chemical Vapor Deposition)装置，形成透明氧化膜层22 (例如SiO2膜)后，使用光刻法与蚀刻法而于透明氧化膜层22设置开口部。更详细为，利用作 为蚀刻液的氟酸系的蚀刻剂，借由将未形成有抗蚀图案的区域的透明氧化膜层22去除而设 置开口部。接着利用真空蒸镀法，于开口部内将构成η型侧的第二欧姆线状电极21的材料的 AuSi合金予以形成。
[0043] 接下来，利用真空蒸镀法或是溅镀法而形成作为反射层的Al层、作为障壁层的Ti 层以及作为接合层的Au层。借此形成反射金属层23(参考图3(c))。另外，构成反射金属层23 的材料可选择对量子阱活性层17所发出的光的波长具有高反射率的材料。借此得到半导体 积层构造体29。
[0044] 接下来，利用真空蒸镀法，于导电性支承基板25(例如Si基板)上将作为导电性欧 姆的接合金属层24的作为接触电极的Ti、作为障壁层的Ni以及作为接合层的Au予以形成， 而准备支承基板30。借由将此支承基板30与表示于图3(c)的半导体积层构造体29予以贴 合，而形成机械地且电气地连接的接合构造体31(参考图3(d))。于此，晶圆的贴合于贴合装 置内施加规定的压力后，透过治具对重叠的半导体积层构造体29与支承基板30施加压力， 同时加热至规定的温度。具体为，以压力90N/cm 2,温度350°C进行30分钟。
[0045] 接下来，利用GaAs蚀刻用的蚀刻剂而自接合构造体31选择性地将GaAs基板12完全 地去除，而使自p-GaQ. 5In〇.5P所构成的p型蚀刻停止层13露出。作为GaAs蚀刻用的蚀刻剂系 举氨水与双氧水的混合液为例。接下来借由利用特定的蚀刻剂而进行的蚀刻，自经去除 GaAs基板的接合构造体31将蚀刻停止层13去除（参考图3(e))。在蚀刻停止层13为AlGaInP 系材料的化合物半导体所形成的情况下，可使用含有盐酸的蚀刻剂作为规定的蚀刻剂。
[0046] 接下来，利用光刻法以及真空蒸镀法于特定的位置形成p型侧的欧姆电极(参考图 3(f)) 型侧的欧姆电极借由圆盘电极(未图示）与线状电极20所形成，例如以Ti、AuBe、Au 的顺序蒸镀而形成。此情况，P型侧的欧姆电极系被形成于自上方观看与第二欧姆线状电极 21不互相重叠的位置。接下来，作为屏蔽p型侧的欧姆电极，将自p-GaAs所构成的p型接触层 14蚀刻而去除。再者，作为屏蔽p型侧的欧姆电极，可将p型电流扩散层15进行表面粗糙化处 理。再者，去除P型接触层14之后，可利用规定的蚀刻剂进行表面粗糙化处理。
[0047] 接下来，借由真空蒸镀法，于导电性支承基板25的背面的约略全表面形成导电性 欧姆电极26(参考图3(g))。背面的欧姆电极26系以Ti、Au的顺序并且借由蒸镀而形成于导 电性支承基板25的底面。之后，施以合金处理，系为使各欧姆电极形成为电气地接合的合金 化处理。作为一范例，在作为不活性氛围的氮氛围气体下进行400°C、5分钟的热处理。借此 形成接合构造体31'。
[0048] 然后，利用具有切割刀的切割装置，将接合构造体31'分割成组件。借此形成多个 如图2所示的发光二极管11。
[0049] 以下透过表示实施例与比较例而对本发明进行更具体的说明，但本发明不限定于 这些实施例。
[0050][实施例1-9与比较例1-7]
[0051 ] 实施例1-9与比较例1-7在借由MOVPE法于直径50mm的n-GaAs基板12上积层多层的 半导体层的处理中，仅在使量子阱活性层17的障壁层17b(在(AlxGa^Mm-yP之中，y = 0.5 的(AlxGa1-Xk5IntL5P)的Al组成X在0.1~0.6之间变化，以及使阱层17a(在(AlxGai-dylm-yP 之中，x = 0的GayIm-yP)的Ga组成y变化而对于各Al组成有期望的波长（亦即670nm、680nm、 690nm)的点为相异之外，其它的处理系依照如同上述说明的制造方法制造磊晶晶圆。于此， 实施例1 -9与比较例1 -7的Ga组成y系如同表1所示。
[0052][表1]
[0055]图4是显示在发光波长为680nm的情况(实施例1-3、比较例1-3)下，障壁层17b的Al 组成X与嘉晶晶圆的PL强度的关系。于此，PL(Photo Luminescence)法为一方法，借由透过 光的照射而产生电子电洞对，再经过各种过程而再结合，并且测定此时的发光的光谱，进而 测定能带间隙、材料的结晶性、杂质等的参杂量等。由于磊晶晶圆的PL强度、半峰全宽等可 判定材料的结晶性，故PL强度的大小可得知在组件状态下的约略的亮度的大小。
[0056] 从图4得知，障壁层17b的Al组成X在0.4附近时，PL强度为最大，并且随着障壁层 17b的Al组成X变小，PL强度逐渐降低。虽然Al组成变小，应变量也会变小，但是同时载体的 局限效果变小的缘故，而发生强度的下降。再者，Al组成为0.5以上的情况，应变量变大，发 光层内部的结晶缺陷增加的缘故，强度会极端地下降。此时的磊晶晶圆的表面，结晶缺陷起 因的凸起被大量观察到。
[0057] 实施例1-9与比较例1-7的障壁层17b的Al组成X与磊晶晶圆的表面状态显示于表 2〇
[0058] 使用实施例1-9与比较例1-7的磊晶晶圆，依照如同上述说明的制造方法制造发光 二极管。
[0059] 对制作的发光二极管测定峰值波长与发光效率。将其结果表示于表2。于此，发光 效率(a. u.)借由发光效率（％ )=输出(mW)/输入电力(mW)而计算出，并且以使在障壁层17b 的Al组成X为0.4的情况的值作为「1」时的比率来表示。
[0060] [表2]
[0063] 从表2得知，在Al组成X为0.5以上的情况，于磊晶晶圆表面产生大量的凸起，表面 凹凸变得过大，无法作到半导体积层构造体29与支承基板30的接合，无法组件化(发光二极 管的制作）。在组件化为可能的Al组成X为0.1~0.4的范围内，发光效率与PL强度结果有相 同的倾向，对于比较例1、4、6的0.90以下，实施例1 -9则改善为0.94~1.00。
[0064] 再者，Al组成X为0.5以上（比较例2、3、5、7)的情况，即使组件化为可能，自图4的结 果推测发光效率会非常地低下。
[0065] 亦即，实施例1-9借由使障壁层17b的Al组成X为0.2以上且0.45以下，可在发光层 的应变量变大的发光波长670~690nm的范围内抑制发光层的内部的结晶缺陷，故与比较例 相比，可见发光效率的改善，可得到能用于制作具有高发光效率的发光二极管的磊晶晶圆。
[0066]此外，本发明并不限定于上述的实施例。上述实施例为举例说明，凡具有与本发明 的申请专利范围所记载之技术思想实质上同样之构成，产生相同的功效者，不论为何物皆 包含在本发明的技术范围内。
[0067] 符号说明
[0068] 10 嘉晶晶圆
[0069] 11 发光二极管
[0070] 12 GaAs 基板(n-GaAs 基板）
[0071] 13 第一导电型蚀刻停止层(P型蚀刻停止层）
[0072] 14 第一导电型接触层(P型接触层）
[0073] 15 第一导电型电流扩散层(P型电流扩散层）
[0074] 16 第一导电型包覆层(P型包覆层）
[0075] 17 量子阱活性层
[0076] 17a 阱层
[0077] 17b 障壁层
[0078] 18 第二导电型包覆层(η型包覆层）
[0079] 19 第二导电型电流扩散层(η型电流扩散层）
[0080] 20 第一欧姆线状电极(线状电极）
[0081] 21 第二欧姆线状电极
[0082] 22 透明氧化膜层
[0083] 23 反射金属层
[0084] 24 接合金属层
[0085] 25 导电性支承基板
[0086] 26 导电性欧姆电极
[0087] 27 发光层
[0088] 28 发光部
[0089] 29 半导体积层构造体
[0090] 30 支承基板
[0091] 31、31' 接合构造体
【主权项】
1 · 一种嘉晶晶圆，包括： 发光层，其由将以化学式(AlxGai-x)ylni-yP所表不的化合物半导体所构成的第一导电型 包覆层、活性层以及第二导电型包覆层为积层而成，其中〇$1$1，〇$7$1，该发光层的发 光波长为670nm以上且690nm以下， 其中，该活性层为将阱层及障壁层为交互积层而成的量子阱构造，该障壁层的组成为 〇.20^x^0.45,0<y<l〇2. -种发光二极管，其使用如权利要求1所述的磊晶晶圆所制造。
【文档编号】H01L33/30GK106067494SQ201610130003
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年3月8日 公开号201610130003.6, CN 106067494 A, CN 106067494A, CN 201610130003, CN-A-106067494, CN106067494 A, CN106067494A, CN201610130003, CN201610130003.6
【发明人】酒井健滋, 池田淳, 川原实
【申请人】信越半导体株式会社