赤外LED用のエピタキシャルウエハおよび赤外LED
【課題】特性を向上できる赤外LED用のエピタキシャルウエハおよび赤外LEDを提供する。
【解決手段】赤外LED用のエピタキシャルウエハ1cは、主表面11aと、主表面11aと反対側の裏面11bとを有するAlxGa(1-x)As層(0≦x≦1)を含むAlyGa(1-y)As基板(0≦y≦1)と、AlxGa(1-x)As層の主表面11a上に形成され、かつ活性層を含むエピタキシャル層20とを備える。AlxGa(1-x)As層において、主表面11aのAlの組成比xは、裏面11bのAlの組成比xよりも低い。AlxGa(1-x)As層において、主表面11aの不純物濃度は、裏面11bの不純物濃度よりも高い。
【解決手段】赤外LED用のエピタキシャルウエハ1cは、主表面11aと、主表面11aと反対側の裏面11bとを有するAlxGa(1-x)As層(0≦x≦1)を含むAlyGa(1-y)As基板(0≦y≦1)と、AlxGa(1-x)As層の主表面11a上に形成され、かつ活性層を含むエピタキシャル層20とを備える。AlxGa(1-x)As層において、主表面11aのAlの組成比xは、裏面11bのAlの組成比xよりも低い。AlxGa(1-x)As層において、主表面11aの不純物濃度は、裏面11bの不純物濃度よりも高い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、赤外LED用のエピタキシャルウエハおよび赤外LEDに関する。
【背景技術】
【0002】
AlaGa(1-a)As(0≦a≦1)(以下、AlGaAs(アルミニウムガリウム砒素)とも言う。)およびGaAs(ガリウム砒素)化合物半導体材料を利用したLED(発光ダイオード:Light Emitting Diode)は、赤外の光源として広く用いられている。赤外の光源としての赤外LEDは、光通信、空間伝送、投光機などに使用されており、伝送するデ−タの大容量化、伝送距離、照明距離の長距離化に伴い、出力の向上が要求されている。
【0003】
このようなAlGaAs化合物半導体を利用した半導体発光装置が、たとえば非特許文献1および非特許文献2などに開示されている。
【0004】
図26および図27は、非特許文献1に開示のLEDを示す断面図である。図26に示す非特許文献1に開示のLEDは、GaAlAs光透過層110と、電極131、132とを備えている。このLEDは、両面に電極131、132を付け、GaAlAs光透過層110にも電流を流す構造である。GaAlAs光透過層110には、p型またはn型の導電性GaAlAs層が用いられる。
【0005】
図27に示す非特許文献1に開示のLEDは、GaAlAs光透過層110と、電極131と、SiO2膜141とを備えている。このLEDは、電極131を一方の面(同一面)に配置した構造であり、発光した光はGaAlAs光透過層110を通過して外部に放出される。GaAlAs光透過層110には電流が流れないため、アンドープのGaAlAs層が用いられる。
【0006】
図28は、非特許文献2に開示のLEDを示す断面図である。図28に示すLEDは、サファイア基板210と、接着膜242と、エピタキシャル層220と、電極231、232とを備えている。サファイア基板210上にGaAs系のエピタキシャル層220を接着膜242で貼り付けている。このLEDは、電極231、232を上面に配置した構造であり、発光した光は、サファイア基板から取り出される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】豊島敏也、他2名、”高AlAs混晶比GaAlAsエピタキシアルウエーハの開発”、日立電線No.7(1988−1)、p.37−40
【非特許文献2】Tzer−Perng Chen, et al., ”Novel layers enhance red−LED extraction efficiency” Compoundsemiconductor.net March2008 p.14−15
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
図26に示す両面に電極131、132が形成された非特許文献1のLEDでは、電極132で光が吸収されるので、光の取り出しのロスとなる。このため、出力が低下するという問題がある。光の取り出しのロスを低減するために電極132の面積を小さくすると、電極132とGaAlAs光透過層110とのコンタクト抵抗が大きくなる。このため、動作電圧が大きくなるという問題がある。
【0009】
図27に示す一方面に電極131が形成された非特許文献1のLEDでは、GaAlAs光透過層110がアンドープであるので、活性層近傍に位置するGaAlAs光透過層110には電流が流れない。このため、動作電圧が大きくなるという問題がある。
【0010】
図28に示すサファイア基板210にエピタキシャル層220が貼り付けられた非特許文献2のLEDでは、サファイア基板210、接着膜242およびエピタキシャル層220の熱膨張率がそれぞれ異なるため、動作や熱サイクルにより、接着膜242が劣化し、エピタキシャル層220が剥がれてしまう。このため、LEDが損傷するという問題があった。また、接着膜242は絶縁性であるので、浮遊容量が発生することで、高速動作性が悪くなるという問題や、放熱性が悪いことで、大電流動作時の出力が低下するという問題がある。
【0011】
このように、図26〜図28に示すLEDでは、LEDの特性が十分でないという問題がある。
【0012】
そこで、本発明の目的は、特性を向上できる赤外LED用のエピタキシャルウエハおよび赤外LEDを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明の赤外LED用のエピタキシャルウエハは、主表面と、主表面と反対側の裏面とを有するAlxGa(1-x)As層(0≦x≦1)を含むAlyGa(1-y)As基板(0≦y≦1)と、AlxGa(1-x)As層の主表面上に形成され、かつ活性層を含むエピタキシャル層とを備える。AlxGa(1-x)As層において、主表面のAlの組成比xは、裏面のAlの組成比xよりも低い。AlxGa(1-x)As層において、主表面の不純物濃度は、裏面の不純物濃度よりも高い。
【0014】
上記赤外LED用のエピタキシャルウエハにおいて好ましくは、AlxGa(1-x)As層は複数の層を有し、複数の層のうち、主表面に位置する層の不純物濃度は、残りの層の不純物濃度よりも高い。
【0015】
上記赤外LED用のエピタキシャルウエハにおいて好ましくは、AlxGa(1-x)As層において主表面側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値は、裏面側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値と同じまたは高い。
【0016】
上記赤外LED用のエピタキシャルウエハにおいて好ましくは、AlxGa(1-x)As層において、裏面側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値が1×1016cm-3以下である。
【0017】
上記赤外LED用のエピタキシャルウエハにおいて好ましくは、AlxGa(1-x)As層において、不純物が導入された領域が主表面側から5μm以上60μm以下である。
【0018】
上記赤外LED用のエピタキシャルウエハにおいて好ましくは、AlxGa(1-x)As層は複数の層を有し、複数の層において、裏面側から主表面側に向けてAlの組成比xが単調減少している。
【0019】
上記赤外LED用のエピタキシャルウエハにおいて好ましくは、AlxGa(1-x)As層の厚み方向の異なる2点のAlの組成比xの差を△Alとし、2点の厚みの差(μm)を△tとした場合に、△Al/△tが1×10-3/μm以上2×10-2/μm以下である。
【0020】
上記赤外LED用のエピタキシャルウエハにおいて好ましくは、上記いずれかに記載のAlxGa(1-x)As層の裏面に接するGaAs基板をさらに備える。
【0021】
本発明の赤外LEDは、上記いずれかに記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハと、エピタキシャルウエハにおいて、エピタキシャル層側に形成された第1および第2の電極とを備える。
【0022】
上記赤外LEDにおいて好ましくは、AlxGa(1-x)As層が露出するようにエピタキシャル層に開口部が形成され、第1の電極は、エピタキシャル層においてAlxGa(1-x)As層と接する面と反対側の表面に接するように形成され、第2の電極は、露出したAlxGa(1-x)As層に接するように形成される。
【0023】
上記赤外LEDにおいて好ましくは、露出したAlxGa(1-x)As層において、第2の電極と接する表面の不純物濃度は、1×1017cm-3以上である。
【0024】
上記赤外LEDにおいて好ましくは、第1の電極がp型透明電極であり、第2の電極がn型電極である。
【0025】
上記赤外LEDにおいて好ましくは、p型透明電極は、酸化インジウム(In2O3)と酸化スズ(SnO2)との混合物、アルミニウム原子(Al)を含む酸化亜鉛(ZnO)、フッ素原子(F)を含む酸化スズ、酸化亜鉛、セレン化亜鉛(ZnSe)および酸化ガリウム(GaO)からなる群から選択される少なくとも1種を含む材質から構成される。
【発明の効果】
【0026】
本発明の赤外LED用のエピタキシャルウエハおよび赤外LEDによれば、特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明の実施の形態1における赤外LED用のエピタキシャルウエハを概略的に示す断面図である。
【図2】本発明の実施の形態1におけるAlGaAs層のAlの組成比xを説明するための図である。
【図3】本発明の実施の形態1におけるAlGaAs層の不純物濃度を説明するための図である。
【図4】本発明の実施の形態2における赤外LED用のエピタキシャルウエハを概略的に示す断面図である。
【図5】本発明の実施の形態3における赤外LED用のエピタキシャルウエハを概略的に示す断面図である。
【図6】本発明の実施の形態3におけるAlGaAs層のAlの組成比xを説明するための図である。
【図7】本発明の実施の形態3におけるAlGaAs層のAlの組成比xを説明するための図である。
【図8】本発明の実施の形態3におけるAlGaAs層のAlの組成比xを説明するための図である。
【図9】本発明の実施の形態3におけるAlGaAs層の不純物濃度を説明するための図である。
【図10】本発明の実施の形態3におけるAlGaAs層の不純物濃度を説明するための図である。
【図11】本発明の実施の形態3におけるAlGaAs層の不純物濃度を説明するための図である。
【図12】本発明の実施の形態3におけるAlGaAs層の不純物濃度を説明するための図である。
【図13】本発明の実施の形態4における赤外LED用のエピタキシャルウエハを概略的に示す断面図である。
【図14】本発明の実施の形態5における赤外LED用のエピタキシャルウエハを概略的に示す断面図である。
【図15】本発明の実施の形態6における赤外LED用のエピタキシャルウエハを概略的に示す断面図である。
【図16】本発明の実施の形態7における赤外LEDを概略的に示す断面図である。
【図17】本発明の実施の形態8における赤外LEDを概略的に示す断面図である。
【図18】本発明の実施の形態9における赤外LEDを概略的に示す断面図である。
【図19】本発明の実施の形態10における赤外LEDを概略的に示す断面図である。
【図20】本発明の実施の形態10における赤外LEDを概略的に示す断面図である。
【図21】本発明の実施の形態10における赤外LEDを概略的に示す断面図である。
【図22】本発明例7におけるAlGaAs層の第3の層のAlの組成比を示す図である。
【図23】本発明例8におけるAlGaAs層の第3の層のAlの組成比を示す図である。
【図24】本発明例7におけるAlGaAs層の第3の層の△Al/△tを示す図である。
【図25】本発明例7におけるAlGaAs層の第3の層の△Al/△tを示す図である。
【図26】非特許文献1に開示の赤外LEDを示す図である。
【図27】非特許文献1に開示の赤外LEDを示す図である。
【図28】非特許文献2に開示の赤外LEDを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【0029】
(実施の形態1)
図1を参照して、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1aを説明する。図1に示すように、エピタキシャルウエハ1aは、AlGaAs基板(AlyGa(1-y)As基板(0≦y≦1))10と、AlGaAs基板10の主表面11a上に形成されたエピタキシャル層20とを備えている。AlGaAs基板10は、GaAs基板15と、GaAs基板15上に形成されたAlGaAs層11とを含んでいる。
【0030】
GaAs基板15は、オフ角を有していても、有していなくてもよく、たとえば{100}面、または、{100}から0°を超え15.8°以下傾斜した主表面を有している。GaAs基板15は、{100}面、または、{100}から0°を超え2°以下傾斜した主表面を有していることが好ましい。GaAs基板15の表面は鏡面であっても粗面であってもよい。なお、{}は、集合面を示す。
【0031】
GaAs基板15の導電型はp型であってもn型であってもよいが、AlGaAs層11と同じ導電型であることが好ましい。
【0032】
GaAs基板15はたとえば平面形状が円形であり、その直径は1インチ以上6インチ以下であることが好ましい。
【0033】
AlGaAs層11は主表面11aと、この主表面11aと反対側の裏面11bとを有している。主表面11aとは、GaAs基板15と接触している面と反対側の面である。裏面11bとは、GaAs基板15と接触している面である。
【0034】
AlGaAs層11は、AlxGa(1-x)As(0≦x≦1)で表される。このAlGaAs層11において、裏面11bのAlの組成比xは、主表面11aのAlの組成比xよりも高い。なお、組成比xは、Alのモル比である。組成比(1−x)は、Gaのモル比である。
【0035】
ここで、AlGaAs層11のモル比について図2を参照して説明する。図2中、縦軸は、AlGaAs層11の裏面11bから主表面11aにかけて厚み方向の位置を示し、横軸は、各位置でのAlの組成比xを示す。
【0036】
図2に示すように、AlGaAs層11において、主表面11aのAlの組成比xは、裏面11bのAlの組成比xよりも低い。また、図2に示すように、AlGaAs層11において、裏面11bから主表面11aにかけて、Alの組成比xは単調減少していることが好ましい。単調減少とは、AlGaAs層11の裏面11bから主表面11aに向けて(成長方向に向けて)、組成比xが常に同じまたは減少しており、かつ裏面11bの組成比xよりも主表面11aの組成比xの方が低いことを意味する。つまり、単調減少とは、この成長方向に向けて組成比xが増加している部分が含まれていない。
【0037】
またAlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域でのAl組成比xの最小値は、裏面11b側の厚み50%の領域でのAl組成比xの最小値と同じまたは低いことが好ましい。
【0038】
図3に示すように、AlGaAs層11において、主表面11aの不純物濃度は裏面11bの不純物濃度よりも高い。不純物濃度とは、導電性不純物(ドーパント)の濃度、つまりキャリア濃度である。不純物濃度は、たとえばSIMS(2次イオン質量分析)法により測定される。AlGaAs層11の不純物は、特に限定されないが、たとえば亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、炭素(C)などのp型ドーパント、セレン(Se)、硫黄(S)、テルル(Te)、シリコン(Si)などのn型ドーパントなどを用いることができる。AlGaAs層11のドーパントは、シリコン、亜鉛、セレン、テルルからなる群より選ばれた少なくとも一種の物質であることが好ましい。
【0039】
ここで、AlGaAs層11の不純物濃度について図3を参照して説明する。図3中、縦軸は、AlGaAs層11の裏面11bから主表面11aにかけて厚み方向の位置を示し、横軸は、各位置での不純物濃度を示す。
【0040】
図3に示すように、AlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域での不純物濃度は、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度と同じまたは高いことが好ましい。
【0041】
特に、図3に示すように、AlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値は、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値と同じまたは高いことが好ましく、2倍以上であることがより好ましい。言い換えると、AlGaAs層11における主表面11aから裏面11bに向けた厚み方向において、主表面11aから50%の厚みまでの領域の不純物濃度の最大値は、AlGaAs層11における残部の領域の不純物濃度の最大値と同じまたは高いことが好ましく、2倍以上であることがより好ましい。
【0042】
また、図3に示すように、裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度が単調増加していてもよい。不純物濃度が単調増加している層とは、AlGaAs層11の裏面11b側から主表面11a側に向けて(成長方向に向けて)、不純物濃度が常に同じまたは増加しており、かつこの層において裏面11b側の面の不純物濃度よりも主表面11aの面の不純物濃度が高いことを意味する。つまり、不純物濃度が単調増加している層とは、この層において成長方向に向けて不純物濃度が減少している部分が含まれていない。
【0043】
図3に示すように、AlGaAs層11において裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度が変化する領域は、不純物としてテルルを含むことが好ましい。
【0044】
また、AlGaAs層11において、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値が1×1016cm-3以下であることが好ましい。つまり、AlGaAs層11において裏面11bを含む厚さ方向半分の領域における不純物濃度の最大値が1×1016cm-3以下であることが好ましい。
【0045】
AlGaAs層11において不純物が導入された領域が主表面11a側から5μm以上60μm以下であることが好ましい。AlGaAs層11において裏面11b側は不純物が導入されていないアンドープ領域であってもよい。アンドープ領域におけるp型不純物およびn型不純物の不純物濃度は、たとえば1×1017cm-3以下であることが好ましく、1×1016cm-3以下であることがより好ましい。1×1017cm-3以下の場合、光の吸収を効果的に抑制できるので、出力がより向上できる。1×1016cm-3以上の場合、不純物による光吸収がほぼ無視できるため、出力の向上により効果的である。ただし、1×1016cm-3以下の場合、半絶縁性になり、発光するエピ層と実装面の導通がなくなり、そのため、LED素子の回路への組み込み方法、実装作業、実装形態によるが、静電気放電や電源のON/OFF時などのサージに敏感になる。この問題に対し、不純物濃度を1×1016cm-3以上、5×1017cm-3以下の範囲とすることで、これらの問題が抑制できる。このため、赤外LEDの損傷や信頼性低下を抑制できるので、特性を向上できる。
【0046】
AlGaAs層11の厚み方向の異なる2点のAlの組成比xの差を△Alとし、2点の厚みの差(μm)を△tとした場合に、△Al/△tが1×10-3/μm以上2×10-2/μm以下であることが好ましい。△Al/△tは、AlGaAs層11の主表面11aから裏面11bにかけてたとえば1μmごとにEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)およびSIMSで△Alを測定することにより得られる。△Al/△tは、AlGaAs層11の任意の位置で測定され得る。
【0047】
エピタキシャル層20は、活性層を含む。活性層は、AlGaAs層11よりもバンドギャップが小さいことが望ましい。ただし、Al組成比が勾配を有するため、一部で大小関係が逆転する場合もある。
【0048】
活性層は、井戸層と、井戸層よりもバンドギャップの大きなバリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造(MQW構造)を有していることが好ましい。井戸層の材料は、バリア層よりもバンドギャップが小さければ特に限定されないが、たとえばGaAs、AlGaAs、InGaAs(インジウムガリウム砒素)、AlInGaAs(アルミニウムインジウムガリウム砒素)、InGaAsP(インジウムガリウム砒素リン)などを用いることができる。これらの材料は、AlGaAs層11との格子整合度が適合する赤外発光の材料である。ただし、格子整合がずれている場合でも、完全に、あるいは、一部で歪が緩和していなければよい。バリア層の材料は、井戸層よりもバンドギャップが大きければ特に限定されないが、たとえばAlGaAs、GaAsP(ガリウム砒素リン)、AlGaAsP(アルミニウムガリウム砒素リン)、InGaP(インジウムガリウムリン)、AlInGaP(アルミニウムインジウムガリウムリン)、InGaAsPなどを用いることできる。これらの材料は、AlGaAs層11との格子整合度が適合する材料である。また、井戸層と同じく、格子整合がずれている場合でも、完全に、あるいは、一部で歪が緩和していなければよい。
【0049】
なお、活性層は、多重量子井戸構造に特に限定されず、1層よりなっていてもよく、ダブルへテロ構造を有していてもよい。
【0050】
また、本実施の形態ではエピタキシャル層20は活性層を含んでいる場合について説明したが、エピタキシャル層20は他の層を含んでいてもよい。他の層を含むエピタキシャル層20は、たとえば、n型バッファ層と、n型バッファ層上に形成されたn型クラッド層と、n型クラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成されたp型クラッド層と、p型クラッド層上に形成されたp型窓層と、p型窓層上に形成されたp型コンタクト層とを含む。なお、上記構成において、他の層の少なくとも1層は省略されてもよいし、p型とn型とが反対であってもよい。
【0051】
続いて、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1aの製造方法について説明する。
【0052】
まず、GaAs基板15を準備する。次に、GaAs基板15上に、たとえばLPE(液相成長法:Liquid Phase Epitaxy)法により主表面11aを有するAlGaAs層11を成長させる。このAlGaAs層11を成長させる工程では、GaAs基板15との界面(裏面11b)のAlの組成比xが、主表面11aのAlの組成比xよりも高く、かつ、主表面11aの不純物濃度が裏面11bの不純物濃度よりも高いAlGaAs層11を成長させる。
【0053】
LPE法は特に限定されず、徐冷法、温度差法などを用いることができる。なお、LPE法とは、液相からAlGaAs結晶を成長させる方法をいう。徐冷法とは、原料の溶液の温度を徐々に下げてAlGaAs結晶を成長させる方法である。温度差法とは、原料の溶液に温度勾配をつくり、AlGaAs結晶を成長させる方法をいう。AlGaAs層11をLPE法で形成することにより、安価に厚みの大きいAlGaAs層11を形成することができる。このため、製造コストを低減することができる。
【0054】
AlGaAs層11においてAlの組成比xおよび/または不純物濃度が一定の結晶を成長させる場合には温度差法または徐冷法を用いることが好ましい。Alの組成比xが上方(成長方向)に向けて減少している結晶を成長させる場合および/または不純物濃度が成長方向において増加している結晶を成長させる場合には徐冷法を用いることが好ましい。特に、量産性および低コストに優れているため、徐冷法を用いることが好ましい。またそれらを組み合わせてもよい。
【0055】
次に、AlGaAs層11の主表面11aを研磨する。LPE法でAlGaAs層11を成長させると主表面11aには凹凸が生じるが、この工程により主表面11aを平坦にすることができる。
【0056】
これにより、AlGaAs層11およびGaAs基板15を含むAlGaAs基板10を製造することができる。
【0057】
次に、このAlGaAs基板10のAlGaAs層11の主表面11a上に、OMVPE(Organo Metallic Vapor Phase Epitaxy:有機金属気相成長)法またはMBE(Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキシ)法により活性層を含むエピタキシャル層20を形成する。この工程では、AlGaAs層11上に、上述したような活性層を含むエピタキシャル層を成長させる。
【0058】
OMVPE法は原料ガスがAlGaAs層11上で熱分解反応することにより活性層を成長させ、MBE法は非平衡系で化学反応過程を介さない方法で活性層を成長させるので、OMVPE法およびMBE法は活性層の厚みを容易に制御できる。このため、2層以上の井戸層を複数有する活性層を容易に成長できる。
【0059】
また、AlGaAs基板10のAlGaAs層11の主表面11aが平坦なので、AlGaAs層11の主表面11a上に活性層を含むエピタキシャル層20を形成する際に、エピタキシャル層20の異常成長を抑制することができる。
【0060】
以上の工程を実施することにより、図1に示すエピタキシャルウエハ1aを製造できる。
【0061】
なお、GaAs基板15の一部を除去する工程をさらに実施してもよい。この場合は、準備したGaAs基板15よりも厚みの小さなGaAs基板を備えたエピタキシャルウエハ1aを製造することになる。この場合、一部残したGaAs基板をエッチングあるいは研磨剤によるラッピングにより粗面化することが好ましい。この場合、この面での反射率を向上できる。
【0062】
以上説明したように、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1aは、GaAs基板15と、GaAs基板15上に形成され、かつ主表面11aと、主表面11aと反対側の裏面11bとを有するAlGaAs層11を含むAlGaAs基板10と、AlGaAs層11の主表面11a上に形成され、かつ活性層を含むエピタキシャル層20とを備え、AlGaAs層11において、主表面11aのAlの組成比xは裏面11bのAlの組成比xよりも低く、AlGaAs層11において、主表面11aの不純物濃度は裏面11bの不純物濃度よりも高い。
【0063】
本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1aによれば、AlGaAs層11において、主表面11aのAl組成比xは、裏面11bのAl組成比xよりも低い。このため、酸化されやすい性質を有するAlが主表面11aに存在することを抑制できる。これにより、AlGaAs基板10の表面(本実施の形態ではAlGaAs層11の主表面11a)に絶縁性の酸化層が形成されることを抑制できる。このため、このAlGaAs基板10上に形成されるエピタキシャル層に欠陥が導入されることを抑制することができる。
【0064】
また、裏面11bのAlの組成比xは、主表面11aのAl組成比xよりも高い。Alの組成比xが高い程、AlGaAs基板10の透過特性が良くなる。裏面11b側にAlが多く含まれていても、表面に露出している時間が短いため、主表面11aに酸化層が形成されることを低減できる。このため、酸化層が形成されることを抑制できる部分に、Alの組成比xの高いAlGaAs結晶を成長させることにより、透過特性を向上できる。
【0065】
本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1aを用いて、エピタキシャル層20側に、一方側から他方側へ電流が流れる第1および第2の電極を形成した横型の赤外LEDを作製すると、AlGaAs層11において主表面11aの不純物濃度は裏面11bの不純物濃度よりも高いので、電流が流れる領域の横方向(活性層の延びる方向と平行な方向)のシート抵抗(電流経路の抵抗)を下げることができる。このため、横方向に電流を流しやすくなるため、動作電圧を低減することができる。
【0066】
さらに、AlGaAs層11において裏面11bの不純物濃度は主表面11aの不純物濃度よりも低いので、透過率を良好にできるため、光取り出し効率を向上できる。このため、出力を向上することができる。
【0067】
このように、AlGaAs層11において主表面11aの不純物濃度を高くすることで、動作電圧を低減でき、裏面11bの不純物濃度を低くし、かつAlの組成比xを高くすることで、出力を向上することができる。
【0068】
それに加えて、エピタキシャルウエハ1aを構成する層は、同じ材料系であるため、熱膨張率が近く、かつ全体がエピタキシャル成長により形成されているので、各層間の半導体結合が強い。このため、非特許文献2の接着膜を有するエピタキシャルウエハに比べて各層間の剥がれを低減できる。したがって、本実施の形態のエピタキシャルウエハ1aを用いて横型構造の赤外LEDを作製すると、高温動作、熱サイクルなどによる劣化を低減できるので、高信頼性の赤外LEDを実現できる。
【0069】
また、本実施の形態のエピタキシャルウエハ1aを用いて作製した赤外LEDを屋外で使用しても、非特許文献2の接着膜を有するエピタキシャルウエハを用いて作製した赤外LEDと異なり、接着膜の紫外線劣化を考慮しなくてもよい。このため、使用上の制限を小さくすることもできる。
【0070】
また、AlGaAs基板10により、十分な導電率が得られるとともに、浮遊容量の問題を低減できるので、高速動作が可能となる。
【0071】
また、AlGaAs層11の熱伝導率は300Kで55W/(m・K)である。300Kにおいて、サファイアの熱伝導率は27W/(m・K)で、エポキシ樹脂(”bisphenolA”)は0.21W/(m・K)で、シリコーン(Qゴム)は0.16W/(m・K)である。このため、AlGaAs基板10の放熱性は良好である。したがって、本実施の形態のエピタキシャルウエハ1aを用いて作製した赤外LEDにおける大電流動作時にも対応できる。
【0072】
以上より、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1aは、赤外LEDに用いた場合に、特性を向上することができる。
【0073】
また、本実施の形態のエピタキシャルウエハ1aにおいて、AlGaAs基板10は、AlGaAs層11の裏面11bに接するGaAs基板15を含んでいる。AlGaAs基板10がGaAs基板15を含んでいる場合には、AlGaAs層11だけでなく、GaAs基板15によりエピタキシャルウエハ2a全体の厚みを厚く設計できるので、チップ作製工程でのウエハの割れ発生を抑制することができる。また、本実施の形態ではGaAs基板15を除去する必要がないので、後述するGaAs基板15を除去している実施の形態2と比べて、GaAs基板15を除去する工程の時間を短縮できる。このため、コストをより低減することができる。
【0074】
上記エピタキシャルウエハ1aにおいて好ましくは、AlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値は、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値と同じまたは高い。
【0075】
この場合、AlGaAs層11におけるエピタキシャル層20側に位置する半分の領域は、相対的に不純物濃度が高くなる。このため、このエピタキシャルウエハ1aを用いて作製された横型の赤外LEDの電流経路の抵抗をより低減することができる。したがって、エピタキシャルウエハ1aを赤外LEDに用いると、動作電圧を向上することができる。
【0076】
上記エピタキシャルウエハ1aにおいて好ましくは、AlGaAs層11において、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値が1×1016cm-3以下であることが好ましい。
【0077】
これにより、裏面11b側の厚み50%の領域において透過率を高めることができる。したがって、エピタキシャルウエハ1aを赤外LEDに用いると、出力を向上することができる。
【0078】
上記エピタキシャルウエハ1aにおいて好ましくは、AlGaAs層11において、不純物が導入された領域が主表面11a側から5μm以上60μm以下である。
【0079】
不純物が導入された領域が主表面11a側から5μm以上である場合、AlGaAs層11の厚み、組成および不純物濃度の制御が容易であるとともに、横方向のシート抵抗(電流経路の抵抗)を低減できるので、動作電圧を低減できる。一方、不純物が導入された領域が主表面11a側から60μm以下の場合、出力を向上することができる。
【0080】
上記エピタキシャルウエハ1aにおいて好ましくは、AlGaAs層11の厚み方向の異なる2点のAlの組成比xの差を△Alとし、2点の厚みの差(μm)を△tとした場合に、△Al/△tが1×10-3/μm以上2×10-2/μm以下である。
【0081】
これにより、主表面11a側で欠陥が導入されることを抑制するようにAlの組成比xを低くし、裏面11b側で透過特性を向上するようにAlの組成比xを高くすることができる。したがって、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1aを用いて横型の赤外LEDを作製した場合、特性をより向上することができる。
【0082】
(実施の形態2)
図4を参照して、本実施の形態における赤外LED用のエピタキシャルウエハ1bについて説明する。図4に示すように、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1bは、基本的には実施の形態1におけるエピタキシャルウエハ1aと同様の構成を備えているが、GaAs基板15を備えていない点において異なる。
【0083】
本実施の形態におけるAlGaAs層11の厚みは、AlGaAs基板10が自立基板となる程度に厚いことが好ましい。このような厚みは、たとえば70μm以上である。
【0084】
続いて、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1bの製造方法について説明する。本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1bの製造方法は、基本的には実施の形態1におけるエピタキシャルウエハ1aの製造方法と同様の構成を備えているが、GaAs基板15を除去する工程をさらに備えている点において異なる。
【0085】
GaAs基板15を除去する方法は、特に限定されないが、たとえば研磨、エッチングなどの方法を用いることができる。研磨とは、ダイヤモンド砥石を持つ研削設備などで、アルミナ、コロイダルシリカ、ダイヤモンドなどの研磨剤を用いてGaAs基板15を機械的に削り取ることをいう。エッチングとは、たとえばアンモニア、過酸化水素などを最適に調合することで、AlGaAsでエッチング速度が遅く、GaAsでエッチング速度が速い選択エッチング液を用いて、GaAs基板15の除去を行なうことをいう。
【0086】
GaAs基板15を除去したAlGaAs層11をエッチングあるいは研磨剤によるラッピングにより粗面化することが好ましい。この場合、この面での反射率を向上できる。
【0087】
以上説明したように、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1bは、主表面11aと、主表面11aと反対側の裏面11bとを有するAlGaAs層11を含むAlGaAs基板10と、AlGaAs層11の主表面11a上に形成され、かつ活性層を含むエピタキシャル層20とを備え、AlGaAs層11において、主表面11aのAlの組成比xは、裏面11bのAlの組成比xよりも低く、AlGaAs層11において、主表面11aの不純物濃度は、裏面11bの不純物濃度よりも高い。
【0088】
本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1bによれば、GaAs基板15を含まずにAlGaAs層11のみを有するAlGaAs基板10を備えている。GaAs基板15は波長が870nm以下の光を吸収するので、GaAs基板15が除去されたAlGaAs基板10を備えたエピタキシャルウエハ1bを用いて横型の赤外LEDを製造すると、透過率をより向上できる。このため、このエピタキシャルウエハ1bを用いて作製した赤外LEDの出力をより向上できるので、特性をより向上することができる。
【0089】
(実施の形態3)
図5を参照して、本実施の形態における赤外LED用のエピタキシャルウエハ1cについて説明する。図5に示すように、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1cは、基本的には図4に示す実施の形態2におけるエピタキシャルウエハ1bと同様の構成を備えているが、AlGaAs層11が複数の層を有する点において異なる。
【0090】
本実施の形態におけるAlGaAs層11は、第1の層12と、第1の層12上に形成された第2の層13と、第2の層13上に形成された第3の層14とを有する。
【0091】
図6〜図8に示すように、AlGaAs層11において、主表面11aに位置する第3の層14の表面のAlの組成比xは、裏面11bに位置する第1の層の裏面のAlの組成比xよりも低い。
【0092】
図6および図7に示すように、第1、第2および第3の層12、13、14のそれぞれは、裏面11bから主表面11aに向けてAlの組成比xが単調減少している層を含んでいてもよい。これにより、AlGaAs基板10に生じる反りを緩和することができる。
【0093】
図8に示すように、第1、第2および第3の層12、13、14のそれぞれは、裏面11bから主表面11aに向けてAlの組成比xが均一である層を含んでいてもよい。また、第1、第2および第3の層のそれぞれのAlの組成比xは均一で、かつ裏面11bに位置する第1の層12は主表面11aに位置する第3の層14のAlの組成比xよりも高くてもよい(図示せず)。
【0094】
図9〜図12に示すように、AlGaAs層11において、主表面11aに位置する第3の層14の表面の不純物濃度は、裏面11bに位置する第1の層12の裏面の不純物濃度よりも高い。
【0095】
図9〜図11に示すように、第1、第2および第3の層12、13、14のそれぞれは、裏面11bから主表面11aに向けて不純物濃度が単調増加している層を含んでいてもよい。
【0096】
図11および図12に示すように、第1、第2および第3の層12、13、14の少なくともいずれか1層は、不純物濃度が均一な層であってもよい。また、図12に示すように、第1、第2および第3の層12、13、14のそれぞれの不純物濃度が均一であり、かつ主表面11aに位置する第3の層14の不純物濃度は、裏面11bに位置する第1の層12の不純物濃度よりも高くてもよい。
【0097】
図10〜図12に示すように、第1、第2および第3の層12、13、14のうち、主表面11aに位置する第3の層14の不純物濃度は、残りの層である第1および第2の層12、13の不純物濃度よりも高いことが好ましい。つまり、第1、第2および第3の層12、13、14のうち、主表面11aに位置する第3の層14の不純物濃度の最小値は、残りの層である第1および第2の層12、13の不純物濃度の最大値よりも高いことが好ましい。
【0098】
図9〜図11に示すように、AlGaAs層11において裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度が変化する層は、温度などの成長条件に依存するが不純物の偏析係数が1以下のものが好ましい。代表的にはテルルを含むことが挙げられる。図11および図12に示すように、AlGaAs層11において不純物濃度が一定の層は、これについても温度などの成長条件に依存するが不純物の偏析係数が1近傍のものが好ましい。代表的には亜鉛を含むものが挙げられる。これらの偏析係数は、成長温度、結晶の面方位、不純物元素の種類に依存するため、これらの選択により分布の設計が可能である。
【0099】
ここで、本実施の形態では、AlGaAs層11は複数の層を有しているが、各層の界面は、Alの組成比および不純物濃度の少なくとも一方が不連続に変わる界面を意味する。AlGaAs層11が徐冷法や温度差法などのLPE法で形成される場合、各々の方法で、温度条件や成長槽が変わる場合に、Alの組成比および不純物濃度の少なくとも一方が不連続に変わる。この界面で区切られる層を1層と定義すると、AlGaAs基板は、2層以上のAlGaAs層を有することが望ましい。ただし、LPE法では、界面が急峻ではないため、たとえば、Al組成比xが0.1以上および/または不純物濃度が10%以上、膜厚方向に変わる場合、1層が形成されたと定義できる。
【0100】
なお、本実施の形態では、複数の層として、第1、第2および第3の層12、13、14の3層を有する場合を例に挙げて説明したが、本発明の複数の層は、2層以上であれば特に限定されない。
【0101】
本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1cの製造方法は、基本的には実施の形態2と同様であるが、AlGaAs基板を形成する工程において、複数の層を有するAlGaAs層11を形成する点において異なる。
【0102】
以上説明したように、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1cは、AlGaAs層11は、複数の層(本実施の形態では第1〜第3の層12〜14)を有している。
【0103】
複数の層のうち、主表面11aに位置する層の不純物濃度が残りの層の不純物濃度よりも高い場合には、エピタキシャルウエハ1cを用いて横型の赤外LEDを作製すると、電流経路の抵抗をより低減できるので、動作電圧をより低減できる。このため、特性をより向上できる。
【0104】
複数の層において、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比xが単調減少している場合、各層において主表面11a側で欠陥の導入を抑制し、かつ裏面11b側で透過特性を向上できる。このため、特性をより向上できる。
【0105】
またAlGaAs層11が複数の層を有している場合であっても、図10〜図12に示すように、AlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値は、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値と同じまたは高いことが好ましい。この場合、エピタキシャルウエハ1cを用いて作製された赤外LEDの電流経路の抵抗をより低減することができる。したがって、エピタキシャルウエハ1cを用いて横型の赤外LEDを作製すると、動作電圧を向上することができ、特性を向上できる。
【0106】
(実施の形態4)
図13を参照して本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1dを説明する。図13に示すように、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1dは、基本的には図5に示す実施の形態3におけるエピタキシャルウエハ1cと同様の構成を備えているが、AlGaAs基板を構成するAlGaAs層11およびエピタキシャル層20に開口部が形成されている点において異なる。本実施の形態では、エピタキシャル層20を貫通し、かつAlGaAs層11の第3の層14一部まで達する開口部が形成されている。つまり、AlGaAs層11が露出するように開口部が形成され、露出面10aが形成されている。露出面10aの不純物濃度は1×1017cm-3以上であることが好ましく、5×1017cm-3以上であることがより好ましい。
【0107】
本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1dの製造方法は、基本的には実施の形態3におけるエピタキシャルウエハ1cの製造方法と同様であるが、エピタキシャル層20およびAlGaAs層11に開口部を形成する工程をさらに備える点において異なる。具体的には、実施の形態3で製造したエピタキシャルウエハ1c上に開口部を形成するべき領域以外の領域にマスク層を形成した状態で、ドライエッチングやウエットエッチングにより開口部を形成する。このエッチングでは、エッチング深さを確認して、エピタキシャル層での下部層(表面がp型である場合にはn型層)と接触するように、エッチングを行なうことが好ましい。これにより、図13に示すように、AlGaAs層11に露出面10aを形成することができる。
【0108】
(実施の形態5)
図14を参照して本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1eを説明する。図14に示すように、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1eは、基本的には図13に示す実施の形態4におけるエピタキシャルウエハ1dと同様の構成を備えているが、エピタキシャル層20がエッチングストップ層21をさらに含む点において異なる。
【0109】
本実施の形態では、エピタキシャル層20は、エッチングストップ層21と、このエッチングストップ層21上に形成され、かつ活性層を含む層22とを含む。また、本実施の形態では、AlGaAs層11は露出せずに、エッチングストップ層21の表面が露出している。
【0110】
活性層を含む層22がAlGaAs系の活性層を含む場合のエッチングストップ層21は、たとえばAlGaInP、InGaP、InAlPが好ましい。活性層を含む層22がAlGaInP系の活性層を含む場合のエッチングストップ層21は、たとえばAlGaAs、GaAsが好ましい。
【0111】
本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1eの製造方法は、基本的には実施の形態4におけるエピタキシャルウエハ1dの製造方法と同様であるが、エピタキシャル層20を形成する工程がエッチングストップ層21を形成する工程を含む点において異なる。
【0112】
(実施の形態6)
図15を参照して本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1fを説明する。図15に示すように、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1fは、基本的には図14に示す実施の形態4におけるエピタキシャルウエハ1dと同様の構成を備えているが、AlGaAs層11の主表面11aが露出している点において異なる。
【0113】
本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1fの製造方法は、基本的には実施の形態5におけるエピタキシャルウエハ1eの製造方法と同様であるが、AlGaAs層の主表面11aを露出する工程を含む点において異なる。つまり、エッチングストップ層21を利用してエッチングストップ層21上の活性層を含む層22に開口部を形成した後、露出しているエッチングストップ層21を除去する。
【0114】
(実施の形態7)
図16を参照して、本実施の形態における赤外LED2aについて説明する。図16に示すように、本実施の形態にける赤外LED2aは、実施の形態4における図13に示すエピタキシャルウエハ1dと、このエピタキシャルウエハ1dにおいて、エピタキシャル層20側に形成された第1および第2の電極31、32とを備えている。言い換えると、赤外LED2aは、第1の電極31および第2の電極32の、一方から他方へと電流が流れる、横型構造を有する。さらに言い換えると、赤外LED2aは、エピタキシャルウエハ1dの上面に第1および第2の電極31、32が形成された上面2電極(上部2端子)構造を有する。
【0115】
本実施の形態では、第1の電極31は、エピタキシャル層20においてAlGaAs基板10と接する面と反対側の面に接するように形成されている。第2の電極32は、露出したAlGaAs層11の露出面10aに接するように形成されている。露出したAlGaAs層11において、第2の電極32と接する露出面10aの不純物濃度は、1×1017cm-3以上であることが好ましい。
【0116】
エピタキシャル層20においてAlGaAs層11と接する面と反対側の表面に位置する層がp型で、かつ露出したAlGaAs層11において第2の電極と接する露出面10aに位置する層がn型である場合、第1の電極31がp型電極で、第2の電極32がn型電極である。この場合、第1の電極31は、p型透明電極であることが好ましい。透明電極は、酸化インジウムと酸化スズとの混合物、アルミニウム原子を含む酸化亜鉛、フッ素原子を含む酸化スズ、酸化亜鉛、セレン化亜鉛および酸化ガリウムからなる群から選択される少なくとも1種を含む材質から構成されることが好ましい。第2の電極32は、たとえばAuとGe(ゲルマニウム)との合金よりなる。
【0117】
第1の電極31として透明電極を用いる場合には、エピタキシャル層において接触する面は、GaAs、AlGaAs、InGaP、AlGaInP、GaPなどであることが好ましい。GaAsは高濃度のp型ドープが可能であるため、良好な動作電圧が得られる。AlGaAs、InGaP、AlGaInPおよびGaPは、バンドギャップが大きいため、光吸収が小さく、光取り出し効率を高めることができる。また、AlGaAs、InGaP、AlGaInPおよびGaPは、粗面化することにより、光取り出し効率をさらに高めることができる。
【0118】
続いて、本実施の形態における赤外LED2aの製造方法について説明する。まず、実施の形態4におけるエピタキシャルウエハ1dの製造方法により、エピタキシャルウエハ1dを製造する。
【0119】
次に、エピタキシャルウエハ1dエピタキシャル層20側に第1および第2の電極31、32を形成する。第1および第2の電極31、32の形成方法は特に限定されず、たとえば蒸着法を用いることができる。これにより、図16に示す赤外LED2aを製造することができる。
【0120】
続いて、本実施の形態における赤外LED2aの動作について説明する。第1および第2の電極31、32に電圧を印加すると、第1および第2の電極31、32の一方から他方に向けて、エピタキシャル層20およびAlGaAs層を介して電流が流れる。この電流が流れる経路は、AlGaAs層11の不純物濃度が高い領域を含むので、横方向のシート抵抗が低減されている。このため、赤外LED2aの動作電圧を低減できる。また、AlGaAs層11においてエピタキシャル層20と接する領域と反対側の領域(裏面11b側の領域)は不純物濃度が低い。このため、AlGaAs基板における裏面11b側の透過率を向上できるので、光出力を向上できる。
【0121】
なお、本実施の形態では、AlGaAs層11の主表面11aをエッチングにより除去して露出面10aを形成しているが、エピタキシャル層20のみに開口部を形成して、AlGaAs層11の主表面11aを露出面10aとし、この露出面10aに接するように第2の電極32を形成してもよい(図示せず)。
【0122】
以上説明したように、本実施の形態における赤外LED2aは、実施の形態4におけるエピタキシャルウエハ1dと、エピタキシャル層20側に形成された第1および第2の電極31、32とを備えている。
【0123】
本実施の形態における赤外LED2aによれば、AlGaAs層11のAlの組成比xおよび不純物濃度を制御したAlGaAs基板10を有するエピタキシャルウエハ1dを備えているので、特性を向上した赤外LED2aを実現できる。
【0124】
また本実施の形態では、AlGaAs層11に接するように第2の電極32を形成している。AlGaAs層11はエピタキシャル層20よりも厚みが大きいので、開口部の形状の制限が小さいため、開口部を形成しやすい。
【0125】
本実施の形態における赤外LED2aにおいて好ましくは、第2の電極32と接続される露出面10a(コンタクト面)の不純物濃度が1×1017cm-3以上である。赤外LEDにおいて、第1の電極31がp型AuZnであり、第2の電極32がn型AuGeNiであり、電流(IF)を20mA流すと、露出面10aの不純物濃度が1×1016cm-3の動作電圧(VF)は2.0Vであり、露出面10aの不純物濃度が5×1016cm-3の動作電圧は1.9Vであり、露出面10aの不純物濃度が1×1017cm-3の動作電圧は1.4Vであり、露出面10aの不純物濃度が5×1017cm-3の動作電圧は1.4Vであり、露出面10aの不純物濃度が1×1018cm-3の動作電圧は1.4Vである。このため、第2の電極32と接続される露出面10a(コンタクト面)の不純物濃度が1×1017cm-3以上であると、動作電圧を1.4V以下に大幅に低減できることがわかる。
【0126】
また本実施の形態における赤外LED2aにおいて好ましくは、AlGaAs層11において、不純物が導入された領域が主表面11a側から5μm以上60μm以下である。第2の電極32と接続される露出面10a(コンタクト面)の不純物濃度が5×1017cm-3以上であり、電流(IF)を20mA流すと、不純物濃度が5×1017cm-3以上である領域が4μmの動作電圧(VF)は1.9Vであり、5μmの動作電圧は1.4Vであり、10μmの動作電圧は1.4Vであり、50μmの動作電圧は1.4Vであり、60μmの動作電圧が1.4Vである。このため、不純物が導入された領域が5μm以上60μm以下であることにより、動作電圧を1.4V以下に大幅に低減できることがわかる。
【0127】
また本実施の形態における赤外LED2aにおいて好ましくは、AlGaAs層11の裏面11bのAl組成比xは、0.35以上であることが好ましい。赤外LED2aは横型であるので、AlGaAs層11の裏面11bのAl組成比xを0.35以上と高くすることができる。これにより。光出力をより向上することができる。この組成比は、通常の縦型のLEDにおいて産業上適用できる組成比を超えている。
【0128】
(実施の形態8)
図17を参照して、本実施の形態における赤外LED2bについて説明する。図17に示すように、本実施の形態にける赤外LED2bおよびその製造方法は、基本的には実施の形態7における赤外LED2aおよびその製造方法と同様の構成を備えているが、実施の形態4における図14に示すエピタキシャルウエハ1eを備えている点において異なる。このため、第2の電極32は、エッチングストップ層21に接するように設けられている。
【0129】
本実施の形態における赤外LED2bおよびその製造方法によれば、エピタキシャル層20はエッチングストップ層を有しているため、第2の電極32を形成する面を容易に形成することができる。
【0130】
(実施の形態9)
図18を参照して、本実施の形態における赤外LED2cについて説明する。図18に示すように、本実施の形態における赤外LED2cおよびその製造方法は、基本的には実施の形態7における赤外LED2aおよびその製造方法と同様の構成を備えるが、実施の形態5における図15に示すエピタキシャルウエハ1fを備えている点において異なる。
【0131】
本実施の形態における赤外LED2cおよびその製造方法によれば、第2の電極32は、AlGaAs層11の主表面11aに接するように設けられている。AlGaAs層11の主表面11aは不純物濃度が相対的に高いため、第2の電極32とのコンタクト抵抗を低減することができる。このため、赤外LED2cの特性をより向上することができる。
【0132】
(実施の形態10)
図19〜図21を参照して、本実施の形態における赤外LED2d〜2fについて説明する。図19〜図21に示す赤外LED2d〜2fのそれぞれは、図16〜図18に示す赤外LED2a〜2cのAlGaAs基板10がGaAs基板15をさらに含んでいる点において異なる。
【0133】
本実施の形態における赤外LED2d〜2fによれば、GaAs基板15を備えているので、割れにくく、ハンドリングが容易になる。
【実施例1】
【0134】
本実施例では、AlxGa(1-x)As層において、主表面のAlの組成比xが裏面のAlの組成比xよりも低く、かつAlxGa(1-x)As層において、主表面の不純物濃度が裏面の不純物濃度よりも高いことによる効果について調べた。
【0135】
(本発明例1)
本発明例1は、図21に示す実施の形態10における赤外LED2fの製造方法にしたがった。具体的には、まず、50mmの直径と260μmの厚みとを有するGaAs基板15を準備した。
【0136】
次に、このGaAs基板15上に、920℃〜室温間の温度条件による徐冷法で第1〜第3の層12〜14の3層を有するAlGaAs層11を成長させた。第1〜第3の層12〜14の各層は40μmの厚みを有し、AlGaAs層11は120μmの厚みを有していた。ドーパントとしてテルルをドーピングした。
【0137】
AlGaAs層11は、図7に示すAlの組成比xを有していた。具体的には、第1および第2の層12、13において、裏面11b側のAlの組成比が0.45で、主表面11a側のAlの組成比が0.25で、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比は常に減少していた。第3の層14において、裏面11b側のAlの組成比が0.35で、主表面11a側のAlの組成比が0.15で、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比は常に減少していた。つまり、AlGaAs層11において主表面11aのAlの組成比(0.15)は、裏面11bのAlの組成比(0.45)よりも低かった。
【0138】
また、AlGaAs層11は、図9に示す不純物濃度を有していた。具体的には、第1〜第3の層12〜14において、裏面11b側の不純物濃度が5×1017cm-3で、主表面11a側の不純物濃度が2×1018cm-3で、裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度は常に増加していた。つまり、AlGaAs層11において主表面11aの不純物濃度(2×1018cm-3)は裏面の不純物濃度(5×1017cm-3)よりも高かった。また、AlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値(2×1018cm-3)は、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値(2×1018cm-3)と同じであった。
【0139】
以上の条件で、AlGaAs基板を製造した。次に、OMVPE法により、活性層を含むエピタキシャル層20を形成した。
【0140】
具体的には、AlGaAs層11の主表面11a上に、n型バッファ層、エッチングストップ層、n型クラッド層、活性層、p型クラッド層、p型窓層およびp型コンタクト層をこの順で成長した。各層の成長温度は、760℃であった。n型バッファ層は0.5μmの厚みを有し、SiがドープされたAl0.15Ga0.85Asよりなり、5×1017cm-3のキャリア濃度を有していた。エッチングストップ層は、0.1μmの厚みを有し、SiがドープされたIn0.5Ga0.5Pよりなり、5×1017cm-3のキャリア濃度を有していた。n型クラッド層は1.0μmの厚みを有し、SiがドープされたAl0.35Ga0.65Asよりなり、5×1017cm-3のキャリア濃度を有していた。p型クラッド層は1.0μmの厚みを有し、ZnがドープされたAl0.35Ga0.65Asよりなり5×1017cm-3のキャリア濃度を有していた。p型窓層は3.5μmの厚みを有し、ZnがドープされたAl0.20Ga0.80Asよりなり、5×1017cm-3のキャリア濃度を有していた。p型コンタクト層は0.2μmの厚みを有し、ZnがドープされたGaAsよりなり、4×1019cm-3のキャリア濃度を有していた。また、活性層は、発光波長850nmとし、5nmの厚みを有し、In0.05Ga0.95Asよりなる井戸層と、15nmの厚みを有し、Al0.25Ga0.75Asよりなるバリア層とを、それぞれ5層有している多重量子井戸構造(MQW)であった。発光波長940nmの場合、5nmの厚みを有し、In0.25Ga0.75Asよりなる井戸層と、15nmの厚みを有し、Al0.30Ga0.70Asよりなるバリア層とを、それぞれ3層有している多重量子井戸構造(MQW)であった。
【0141】
次に、エピタキシャル層において、AlGaAs基板と接する面と反対側の面上に、電子ビーム蒸着法により、真空炉内で、酸素雰囲気中で、300℃の温度で、透明導電膜を形成した。透明導電膜は、300nmの厚みを有するITOとした。
【0142】
このエピタキシャルウエハに、150μm径で電極パッド用接触孔を設けた。エッチング液は燐酸と過酸化水素水との混合液で、AlGaAsとInGaPとの選択比は50であり、InGaPエッチングストップ層でエッチング停止を行ない、その後、エッチングストップ層を塩酸で除去し、さらに、AlGaAs基板上までバッファ層をエッチングした。
【0143】
次に、第2の電極32として、露出させたAlGaAs基板10の主表面11aに接するように、120μm径でAuGeNi電極を3μm厚で蒸着した。
【0144】
次に、透明導電膜上に、第1の電極31として、p型電極を形成した。第1の電極31のパッド径は120μmとし、電極材料をAuとした。以上の工程を実施することにより、本発明例1の赤外LEDを製造した。
【0145】
(本発明例2)
本発明例2は、基本的には本発明例1と同様の構成を備えていたが、AlGaAs層が図10に示す不純物濃度を有する点において異なっていた。
【0146】
具体的には、第1および第2の層12、13において、裏面11b側の不純物濃度が5×1016cm-3で、主表面11a側の不純物濃度が1×1018cm-3で、裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度は常に増加していた。第3の層14において、裏面11b側の不純物濃度が5×1017cm-3で、主表面11a側の不純物濃度が2×1018cm-3で、裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度は常に増加していた。つまり、AlGaAs層11において主表面11aの不純物濃度(2×1018cm-3)は裏面の不純物濃度(5×1016cm-3)よりも高かった。また、AlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値(2×1018cm-3)は、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値(1×1018cm-3)よりも高かった。
【0147】
(本発明例3)
本発明例3は、基本的には本発明例1と同様の構成を備えていたが、AlGaAs層が図12に示す不純物濃度を有する点およびドーパントとしてZnを用いた点、およびエピタキシャル層において異なっていた。
【0148】
具体的には、第1および第2の層12、13において、裏面11b側の不純物濃度が5×1017cm-3で、主表面11a側の不純物濃度が5×1017cm-3で、裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度は常に一定であった。第3の層14において、裏面11b側の不純物濃度が1×1018cm-3で、主表面11a側の不純物濃度が1×1018cm-3で、裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度は常に一定であった。つまり、AlGaAs層11において主表面11aの不純物濃度(1×1018cm-3)は裏面の不純物濃度(5×1017cm-3)よりも高かった。また、AlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値(1×1018cm-3)は、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値(5×1017cm-3)よりも高かった。また複数の層のうち、主表面11aに位置する第3の層14の不純物濃度(1×1018cm-3)は、残りの第1および第2の層12、13の不純物濃度(5×1017cm-3)よりも高かった。
【0149】
本発明例3では、以下のように、OMVPE法により活性層を含むエピタキシャル層20を形成した。AlGaAs基板がp型となるため、主表面11a上に、p型バッファ層、エッチングストップ層、p型クラッド層、活性層、n型クラッド層およびn型窓層をこの順で成長した。各層の成長温度、組成およびキャリア濃度は先の構造と同じであるが、n型窓層の厚みを5μmとしており、また、n型コンタクト層は作成しなかった。また、透明電極も用いていなかった。
【0150】
(本発明例4)
本発明例4は、基本的には本発明例1と同様の構成を備えていたが、AlGaAs層が図11に示す不純物濃度を有する点および第1および第2の層はアンドープであった点において異なっていた。
【0151】
具体的には、第1および第2の層12、13は不純物を導入しなかった。つまり、第1および第2の層12、13の不純物濃度が1×1016cm-3以下で一定であった。第3の層14において、裏面11b側の不純物濃度が5×1016cm-3で、主表面11a側の不純物濃度が1×1018cm-3で、裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度は常に増加していた。つまり、AlGaAs層11において主表面11aの不純物濃度(1×1018cm-3)は裏面の不純物濃度(1×1016cm-3以下)よりも高かった。また、AlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値(1×1018cm-3)は、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値(1×1016cm-3以下)よりも高かった。また複数の層のうち、主表面11aに位置する第3の層14の不純物濃度(1×1018cm-3)は、残りの第1および第2の層12、13の不純物濃度(1×1016cm-3以下)よりも高かった。
【0152】
(本発明例5)
本発明例5は、基本的には本発明例4と同様の構成を備えていたが、AlGaAs層が図6に示すAlの組成比を有している点において異なっていた。
【0153】
具体的には、第1および第2の層12、13において、裏面11b側のAlの組成比が0.35で、主表面11a側のAlの組成比が0.15で、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比は常に減少していた。第3の層14において、裏面11b側のAlの組成比が0.35で、主表面11a側のAlの組成比が0.15で、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比は常に減少していた。つまり、AlGaAs層11において主表面11aのAlの組成比(0.15)は、裏面11bのAlの組成比(0.35)よりも低かった。なお、不純物濃度は、本発明例4と同様に図11に示す分布を有しており、ドーパントはテルルを用いている。
【0154】
(本発明例6)
本発明例6は、基本的には本発明例4と同様の構成を備えていたが、AlGaAs層が図8に示すAlの組成比を有している点において異なっていた。
【0155】
具体的には、第1および第2の層12、13において、裏面11b側のAlの組成比が0.40で、主表面11a側のAlの組成比が0.40で、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比は常に一定であった。第3の層14において、裏面11b側のAlの組成比が0.40で、主表面11a側のAlの組成比が0.15で、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比は常に減少していた。つまり、AlGaAs層11において主表面11aのAlの組成比(0.15)は、裏面11bのAlの組成比(0.40)よりも低かった。なお、不純物濃度は、本発明例4と同様に図11に示す分布を有しており、ドーパントはテルルを用いている。
【0156】
(参考例)
参考例として、エピタキシャルウエハの上面および下面に電極を形成した縦型の赤外LEDを製造した。参考例では、本発明例1のエピタキシャルウエハにおいて、GaAs基板を除去し、AlGaAs層11の裏面11b上に、第2の電極32として、n型電極を形成した。第2の電極32は、ドット状とし、材料をAuGe合金とし、厚みを1μmとした。
【0157】
(測定方法)
本発明例1〜6および参考例の赤外LEDについて、定電流源と光出力測定器(積分球)とにより、電流(IF)を20mA流した時の波長が850nmの光出力を測定した。その結果を下記の表1に示す。
【0158】
【表1】
【0159】
表1に示すように、AlxGa(1-x)As層において、主表面のAlの組成比xが裏面のAlの組成比xよりも低く、かつAlxGa(1-x)As層において、主表面の不純物濃度が裏面の不純物濃度よりも高い本発明例1〜6のエピタキシャルウエハを用いて横型の赤外LEDを作製することにより、縦型の赤外LEDよりも出力を向上できることがわかった。これは、AlxGa(1-x)As層において、主表面の不純物濃度が裏面の不純物濃度よりも高いため、電流経路の抵抗を小さくできたとともに、裏面側の透光率を向上できたこと、および、裏面側に電極を配置しないため、電極部での吸収ロスが抑制できたためであった。
【0160】
また、活性層の構造のみをかえて、波長940nmとした場合でも、本発明例1〜6の出力の大小関係は波長850nmの場合と変わらないという結果が確認され、本構造の設計の差異の効果が確認された。
【実施例2】
【0161】
本実施例では、△Al/△tが1×10-3/μm6×10-3/μm以下であることの効果について調べた。
【0162】
(本発明例7および8)
本発明例7および8は、基本的には本発明例4と同様の構成を備えていたが、AlGaAs層の第3の層において異なっていた。
【0163】
具体的には、本発明例7および8における第3の層のAlの組成比を図22におよび図23に示す。図22および図23において、AlGaAs層11の主表面11aに位置する第3の層の表面を深さ0としている。つまり、図22および図23において、AlGaAs層11の主表面11aである第3の層14の表面を深さ0とし、AlGaAs層11の裏面11b側に位置する第2の層13との界面に向けて深さを規定している。図22に示すように、本発明例7の第3の層は、50μmの厚みを有し、裏面11b側の組成比が0.20で、主表面11a側のAlの組成比が0.02で、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比xは単調減少していた。図23に示すように、本発明例8の第3の層は、36μmの厚みを有し、裏面11b側の組成比が0.49で、主表面11a側のAlの組成比が0.02で、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比xは単調減少していた。なお、このAlの組成比xは、EPMAにより測定した値である。
【0164】
図22および図23に示すAlの組成比xを測定した本発明例7および本発明例8のAlGaAs基板について、Alの組成比の傾き(図24および25における縦軸で示されるAl組成比勾配)である△Al/△t(単位:組成差/μm)を求めた。その結果を図24および図25にそれぞれ示す。なお、図24および図25において、AlGaAs層11の主表面11aに位置する第3の層14の表面を深さ0としている。
【0165】
AlGaAs基板において、AlGaAs層11の第3の層14の厚み方向の異なる2点のAlの組成比xの差を△Alとし、2点の厚みの差(μm)を△tとした場合に、図24に示す本発明例7の△Al/△tは1×10-3/μm以上6×10-3/μm以下であり、図25に示す本発明例8の△Al/△tは5×10-3/μm以上2×10-3/μm以下であった。
【0166】
本発明例7および8のAlGaAs基板を備えた赤外LEDについて、実施例1と同様に出力を測定した結果、動作電流20mAで光出力10mWを確認した。したがって、AlxGa(1-x)As層において、主表面のAlの組成比xが裏面のAlの組成比xよりも低く、かつAlxGa(1-x)As層において、主表面の不純物濃度が裏面の不純物濃度よりも高く、かつ、△Al/△tが1×10-3/μm6×10-3/μm以下であることにより、出力をより向上できることがわかった。
【0167】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、各実施の形態および実施例の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0168】
1a,1b,1c,1d,1e,f エピタキシャルウエハ、2a,2b,2c,2d,2e,2f 赤外LED、10 AlGaAs基板、10a 露出面、11 AlGaAs層、11a 主表面、11b 裏面、12 第1の層、13 第2の層、14 第3の層、15 GaAs基板、20 エピタキシャル層、21 エッチングストップ層、22 活性層を含む層、31 第1の電極、32 第2の電極。
【技術分野】
【0001】
本発明は、赤外LED用のエピタキシャルウエハおよび赤外LEDに関する。
【背景技術】
【0002】
AlaGa(1-a)As(0≦a≦1)(以下、AlGaAs(アルミニウムガリウム砒素)とも言う。)およびGaAs(ガリウム砒素)化合物半導体材料を利用したLED(発光ダイオード:Light Emitting Diode)は、赤外の光源として広く用いられている。赤外の光源としての赤外LEDは、光通信、空間伝送、投光機などに使用されており、伝送するデ−タの大容量化、伝送距離、照明距離の長距離化に伴い、出力の向上が要求されている。
【0003】
このようなAlGaAs化合物半導体を利用した半導体発光装置が、たとえば非特許文献1および非特許文献2などに開示されている。
【0004】
図26および図27は、非特許文献1に開示のLEDを示す断面図である。図26に示す非特許文献1に開示のLEDは、GaAlAs光透過層110と、電極131、132とを備えている。このLEDは、両面に電極131、132を付け、GaAlAs光透過層110にも電流を流す構造である。GaAlAs光透過層110には、p型またはn型の導電性GaAlAs層が用いられる。
【0005】
図27に示す非特許文献1に開示のLEDは、GaAlAs光透過層110と、電極131と、SiO2膜141とを備えている。このLEDは、電極131を一方の面(同一面)に配置した構造であり、発光した光はGaAlAs光透過層110を通過して外部に放出される。GaAlAs光透過層110には電流が流れないため、アンドープのGaAlAs層が用いられる。
【0006】
図28は、非特許文献2に開示のLEDを示す断面図である。図28に示すLEDは、サファイア基板210と、接着膜242と、エピタキシャル層220と、電極231、232とを備えている。サファイア基板210上にGaAs系のエピタキシャル層220を接着膜242で貼り付けている。このLEDは、電極231、232を上面に配置した構造であり、発光した光は、サファイア基板から取り出される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】豊島敏也、他2名、”高AlAs混晶比GaAlAsエピタキシアルウエーハの開発”、日立電線No.7(1988−1)、p.37−40
【非特許文献2】Tzer−Perng Chen, et al., ”Novel layers enhance red−LED extraction efficiency” Compoundsemiconductor.net March2008 p.14−15
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
図26に示す両面に電極131、132が形成された非特許文献1のLEDでは、電極132で光が吸収されるので、光の取り出しのロスとなる。このため、出力が低下するという問題がある。光の取り出しのロスを低減するために電極132の面積を小さくすると、電極132とGaAlAs光透過層110とのコンタクト抵抗が大きくなる。このため、動作電圧が大きくなるという問題がある。
【0009】
図27に示す一方面に電極131が形成された非特許文献1のLEDでは、GaAlAs光透過層110がアンドープであるので、活性層近傍に位置するGaAlAs光透過層110には電流が流れない。このため、動作電圧が大きくなるという問題がある。
【0010】
図28に示すサファイア基板210にエピタキシャル層220が貼り付けられた非特許文献2のLEDでは、サファイア基板210、接着膜242およびエピタキシャル層220の熱膨張率がそれぞれ異なるため、動作や熱サイクルにより、接着膜242が劣化し、エピタキシャル層220が剥がれてしまう。このため、LEDが損傷するという問題があった。また、接着膜242は絶縁性であるので、浮遊容量が発生することで、高速動作性が悪くなるという問題や、放熱性が悪いことで、大電流動作時の出力が低下するという問題がある。
【0011】
このように、図26〜図28に示すLEDでは、LEDの特性が十分でないという問題がある。
【0012】
そこで、本発明の目的は、特性を向上できる赤外LED用のエピタキシャルウエハおよび赤外LEDを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明の赤外LED用のエピタキシャルウエハは、主表面と、主表面と反対側の裏面とを有するAlxGa(1-x)As層(0≦x≦1)を含むAlyGa(1-y)As基板(0≦y≦1)と、AlxGa(1-x)As層の主表面上に形成され、かつ活性層を含むエピタキシャル層とを備える。AlxGa(1-x)As層において、主表面のAlの組成比xは、裏面のAlの組成比xよりも低い。AlxGa(1-x)As層において、主表面の不純物濃度は、裏面の不純物濃度よりも高い。
【0014】
上記赤外LED用のエピタキシャルウエハにおいて好ましくは、AlxGa(1-x)As層は複数の層を有し、複数の層のうち、主表面に位置する層の不純物濃度は、残りの層の不純物濃度よりも高い。
【0015】
上記赤外LED用のエピタキシャルウエハにおいて好ましくは、AlxGa(1-x)As層において主表面側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値は、裏面側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値と同じまたは高い。
【0016】
上記赤外LED用のエピタキシャルウエハにおいて好ましくは、AlxGa(1-x)As層において、裏面側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値が1×1016cm-3以下である。
【0017】
上記赤外LED用のエピタキシャルウエハにおいて好ましくは、AlxGa(1-x)As層において、不純物が導入された領域が主表面側から5μm以上60μm以下である。
【0018】
上記赤外LED用のエピタキシャルウエハにおいて好ましくは、AlxGa(1-x)As層は複数の層を有し、複数の層において、裏面側から主表面側に向けてAlの組成比xが単調減少している。
【0019】
上記赤外LED用のエピタキシャルウエハにおいて好ましくは、AlxGa(1-x)As層の厚み方向の異なる2点のAlの組成比xの差を△Alとし、2点の厚みの差(μm)を△tとした場合に、△Al/△tが1×10-3/μm以上2×10-2/μm以下である。
【0020】
上記赤外LED用のエピタキシャルウエハにおいて好ましくは、上記いずれかに記載のAlxGa(1-x)As層の裏面に接するGaAs基板をさらに備える。
【0021】
本発明の赤外LEDは、上記いずれかに記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハと、エピタキシャルウエハにおいて、エピタキシャル層側に形成された第1および第2の電極とを備える。
【0022】
上記赤外LEDにおいて好ましくは、AlxGa(1-x)As層が露出するようにエピタキシャル層に開口部が形成され、第1の電極は、エピタキシャル層においてAlxGa(1-x)As層と接する面と反対側の表面に接するように形成され、第2の電極は、露出したAlxGa(1-x)As層に接するように形成される。
【0023】
上記赤外LEDにおいて好ましくは、露出したAlxGa(1-x)As層において、第2の電極と接する表面の不純物濃度は、1×1017cm-3以上である。
【0024】
上記赤外LEDにおいて好ましくは、第1の電極がp型透明電極であり、第2の電極がn型電極である。
【0025】
上記赤外LEDにおいて好ましくは、p型透明電極は、酸化インジウム(In2O3)と酸化スズ(SnO2)との混合物、アルミニウム原子(Al)を含む酸化亜鉛(ZnO)、フッ素原子(F)を含む酸化スズ、酸化亜鉛、セレン化亜鉛(ZnSe)および酸化ガリウム(GaO)からなる群から選択される少なくとも1種を含む材質から構成される。
【発明の効果】
【0026】
本発明の赤外LED用のエピタキシャルウエハおよび赤外LEDによれば、特性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明の実施の形態1における赤外LED用のエピタキシャルウエハを概略的に示す断面図である。
【図2】本発明の実施の形態1におけるAlGaAs層のAlの組成比xを説明するための図である。
【図3】本発明の実施の形態1におけるAlGaAs層の不純物濃度を説明するための図である。
【図4】本発明の実施の形態2における赤外LED用のエピタキシャルウエハを概略的に示す断面図である。
【図5】本発明の実施の形態3における赤外LED用のエピタキシャルウエハを概略的に示す断面図である。
【図6】本発明の実施の形態3におけるAlGaAs層のAlの組成比xを説明するための図である。
【図7】本発明の実施の形態3におけるAlGaAs層のAlの組成比xを説明するための図である。
【図8】本発明の実施の形態3におけるAlGaAs層のAlの組成比xを説明するための図である。
【図9】本発明の実施の形態3におけるAlGaAs層の不純物濃度を説明するための図である。
【図10】本発明の実施の形態3におけるAlGaAs層の不純物濃度を説明するための図である。
【図11】本発明の実施の形態3におけるAlGaAs層の不純物濃度を説明するための図である。
【図12】本発明の実施の形態3におけるAlGaAs層の不純物濃度を説明するための図である。
【図13】本発明の実施の形態4における赤外LED用のエピタキシャルウエハを概略的に示す断面図である。
【図14】本発明の実施の形態5における赤外LED用のエピタキシャルウエハを概略的に示す断面図である。
【図15】本発明の実施の形態6における赤外LED用のエピタキシャルウエハを概略的に示す断面図である。
【図16】本発明の実施の形態7における赤外LEDを概略的に示す断面図である。
【図17】本発明の実施の形態8における赤外LEDを概略的に示す断面図である。
【図18】本発明の実施の形態9における赤外LEDを概略的に示す断面図である。
【図19】本発明の実施の形態10における赤外LEDを概略的に示す断面図である。
【図20】本発明の実施の形態10における赤外LEDを概略的に示す断面図である。
【図21】本発明の実施の形態10における赤外LEDを概略的に示す断面図である。
【図22】本発明例7におけるAlGaAs層の第3の層のAlの組成比を示す図である。
【図23】本発明例8におけるAlGaAs層の第3の層のAlの組成比を示す図である。
【図24】本発明例7におけるAlGaAs層の第3の層の△Al/△tを示す図である。
【図25】本発明例7におけるAlGaAs層の第3の層の△Al/△tを示す図である。
【図26】非特許文献1に開示の赤外LEDを示す図である。
【図27】非特許文献1に開示の赤外LEDを示す図である。
【図28】非特許文献2に開示の赤外LEDを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。
【0029】
(実施の形態1)
図1を参照して、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1aを説明する。図1に示すように、エピタキシャルウエハ1aは、AlGaAs基板(AlyGa(1-y)As基板(0≦y≦1))10と、AlGaAs基板10の主表面11a上に形成されたエピタキシャル層20とを備えている。AlGaAs基板10は、GaAs基板15と、GaAs基板15上に形成されたAlGaAs層11とを含んでいる。
【0030】
GaAs基板15は、オフ角を有していても、有していなくてもよく、たとえば{100}面、または、{100}から0°を超え15.8°以下傾斜した主表面を有している。GaAs基板15は、{100}面、または、{100}から0°を超え2°以下傾斜した主表面を有していることが好ましい。GaAs基板15の表面は鏡面であっても粗面であってもよい。なお、{}は、集合面を示す。
【0031】
GaAs基板15の導電型はp型であってもn型であってもよいが、AlGaAs層11と同じ導電型であることが好ましい。
【0032】
GaAs基板15はたとえば平面形状が円形であり、その直径は1インチ以上6インチ以下であることが好ましい。
【0033】
AlGaAs層11は主表面11aと、この主表面11aと反対側の裏面11bとを有している。主表面11aとは、GaAs基板15と接触している面と反対側の面である。裏面11bとは、GaAs基板15と接触している面である。
【0034】
AlGaAs層11は、AlxGa(1-x)As(0≦x≦1)で表される。このAlGaAs層11において、裏面11bのAlの組成比xは、主表面11aのAlの組成比xよりも高い。なお、組成比xは、Alのモル比である。組成比(1−x)は、Gaのモル比である。
【0035】
ここで、AlGaAs層11のモル比について図2を参照して説明する。図2中、縦軸は、AlGaAs層11の裏面11bから主表面11aにかけて厚み方向の位置を示し、横軸は、各位置でのAlの組成比xを示す。
【0036】
図2に示すように、AlGaAs層11において、主表面11aのAlの組成比xは、裏面11bのAlの組成比xよりも低い。また、図2に示すように、AlGaAs層11において、裏面11bから主表面11aにかけて、Alの組成比xは単調減少していることが好ましい。単調減少とは、AlGaAs層11の裏面11bから主表面11aに向けて(成長方向に向けて)、組成比xが常に同じまたは減少しており、かつ裏面11bの組成比xよりも主表面11aの組成比xの方が低いことを意味する。つまり、単調減少とは、この成長方向に向けて組成比xが増加している部分が含まれていない。
【0037】
またAlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域でのAl組成比xの最小値は、裏面11b側の厚み50%の領域でのAl組成比xの最小値と同じまたは低いことが好ましい。
【0038】
図3に示すように、AlGaAs層11において、主表面11aの不純物濃度は裏面11bの不純物濃度よりも高い。不純物濃度とは、導電性不純物(ドーパント)の濃度、つまりキャリア濃度である。不純物濃度は、たとえばSIMS(2次イオン質量分析)法により測定される。AlGaAs層11の不純物は、特に限定されないが、たとえば亜鉛(Zn)、マグネシウム(Mg)、炭素(C)などのp型ドーパント、セレン(Se)、硫黄(S)、テルル(Te)、シリコン(Si)などのn型ドーパントなどを用いることができる。AlGaAs層11のドーパントは、シリコン、亜鉛、セレン、テルルからなる群より選ばれた少なくとも一種の物質であることが好ましい。
【0039】
ここで、AlGaAs層11の不純物濃度について図3を参照して説明する。図3中、縦軸は、AlGaAs層11の裏面11bから主表面11aにかけて厚み方向の位置を示し、横軸は、各位置での不純物濃度を示す。
【0040】
図3に示すように、AlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域での不純物濃度は、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度と同じまたは高いことが好ましい。
【0041】
特に、図3に示すように、AlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値は、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値と同じまたは高いことが好ましく、2倍以上であることがより好ましい。言い換えると、AlGaAs層11における主表面11aから裏面11bに向けた厚み方向において、主表面11aから50%の厚みまでの領域の不純物濃度の最大値は、AlGaAs層11における残部の領域の不純物濃度の最大値と同じまたは高いことが好ましく、2倍以上であることがより好ましい。
【0042】
また、図3に示すように、裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度が単調増加していてもよい。不純物濃度が単調増加している層とは、AlGaAs層11の裏面11b側から主表面11a側に向けて(成長方向に向けて)、不純物濃度が常に同じまたは増加しており、かつこの層において裏面11b側の面の不純物濃度よりも主表面11aの面の不純物濃度が高いことを意味する。つまり、不純物濃度が単調増加している層とは、この層において成長方向に向けて不純物濃度が減少している部分が含まれていない。
【0043】
図3に示すように、AlGaAs層11において裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度が変化する領域は、不純物としてテルルを含むことが好ましい。
【0044】
また、AlGaAs層11において、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値が1×1016cm-3以下であることが好ましい。つまり、AlGaAs層11において裏面11bを含む厚さ方向半分の領域における不純物濃度の最大値が1×1016cm-3以下であることが好ましい。
【0045】
AlGaAs層11において不純物が導入された領域が主表面11a側から5μm以上60μm以下であることが好ましい。AlGaAs層11において裏面11b側は不純物が導入されていないアンドープ領域であってもよい。アンドープ領域におけるp型不純物およびn型不純物の不純物濃度は、たとえば1×1017cm-3以下であることが好ましく、1×1016cm-3以下であることがより好ましい。1×1017cm-3以下の場合、光の吸収を効果的に抑制できるので、出力がより向上できる。1×1016cm-3以上の場合、不純物による光吸収がほぼ無視できるため、出力の向上により効果的である。ただし、1×1016cm-3以下の場合、半絶縁性になり、発光するエピ層と実装面の導通がなくなり、そのため、LED素子の回路への組み込み方法、実装作業、実装形態によるが、静電気放電や電源のON/OFF時などのサージに敏感になる。この問題に対し、不純物濃度を1×1016cm-3以上、5×1017cm-3以下の範囲とすることで、これらの問題が抑制できる。このため、赤外LEDの損傷や信頼性低下を抑制できるので、特性を向上できる。
【0046】
AlGaAs層11の厚み方向の異なる2点のAlの組成比xの差を△Alとし、2点の厚みの差(μm)を△tとした場合に、△Al/△tが1×10-3/μm以上2×10-2/μm以下であることが好ましい。△Al/△tは、AlGaAs層11の主表面11aから裏面11bにかけてたとえば1μmごとにEPMA(Electron Probe Micro Analyzer)およびSIMSで△Alを測定することにより得られる。△Al/△tは、AlGaAs層11の任意の位置で測定され得る。
【0047】
エピタキシャル層20は、活性層を含む。活性層は、AlGaAs層11よりもバンドギャップが小さいことが望ましい。ただし、Al組成比が勾配を有するため、一部で大小関係が逆転する場合もある。
【0048】
活性層は、井戸層と、井戸層よりもバンドギャップの大きなバリア層とが交互に積層された多重量子井戸構造(MQW構造)を有していることが好ましい。井戸層の材料は、バリア層よりもバンドギャップが小さければ特に限定されないが、たとえばGaAs、AlGaAs、InGaAs(インジウムガリウム砒素)、AlInGaAs(アルミニウムインジウムガリウム砒素)、InGaAsP(インジウムガリウム砒素リン)などを用いることができる。これらの材料は、AlGaAs層11との格子整合度が適合する赤外発光の材料である。ただし、格子整合がずれている場合でも、完全に、あるいは、一部で歪が緩和していなければよい。バリア層の材料は、井戸層よりもバンドギャップが大きければ特に限定されないが、たとえばAlGaAs、GaAsP(ガリウム砒素リン)、AlGaAsP(アルミニウムガリウム砒素リン)、InGaP(インジウムガリウムリン)、AlInGaP(アルミニウムインジウムガリウムリン)、InGaAsPなどを用いることできる。これらの材料は、AlGaAs層11との格子整合度が適合する材料である。また、井戸層と同じく、格子整合がずれている場合でも、完全に、あるいは、一部で歪が緩和していなければよい。
【0049】
なお、活性層は、多重量子井戸構造に特に限定されず、1層よりなっていてもよく、ダブルへテロ構造を有していてもよい。
【0050】
また、本実施の形態ではエピタキシャル層20は活性層を含んでいる場合について説明したが、エピタキシャル層20は他の層を含んでいてもよい。他の層を含むエピタキシャル層20は、たとえば、n型バッファ層と、n型バッファ層上に形成されたn型クラッド層と、n型クラッド層上に形成された活性層と、活性層上に形成されたp型クラッド層と、p型クラッド層上に形成されたp型窓層と、p型窓層上に形成されたp型コンタクト層とを含む。なお、上記構成において、他の層の少なくとも1層は省略されてもよいし、p型とn型とが反対であってもよい。
【0051】
続いて、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1aの製造方法について説明する。
【0052】
まず、GaAs基板15を準備する。次に、GaAs基板15上に、たとえばLPE(液相成長法:Liquid Phase Epitaxy)法により主表面11aを有するAlGaAs層11を成長させる。このAlGaAs層11を成長させる工程では、GaAs基板15との界面(裏面11b)のAlの組成比xが、主表面11aのAlの組成比xよりも高く、かつ、主表面11aの不純物濃度が裏面11bの不純物濃度よりも高いAlGaAs層11を成長させる。
【0053】
LPE法は特に限定されず、徐冷法、温度差法などを用いることができる。なお、LPE法とは、液相からAlGaAs結晶を成長させる方法をいう。徐冷法とは、原料の溶液の温度を徐々に下げてAlGaAs結晶を成長させる方法である。温度差法とは、原料の溶液に温度勾配をつくり、AlGaAs結晶を成長させる方法をいう。AlGaAs層11をLPE法で形成することにより、安価に厚みの大きいAlGaAs層11を形成することができる。このため、製造コストを低減することができる。
【0054】
AlGaAs層11においてAlの組成比xおよび/または不純物濃度が一定の結晶を成長させる場合には温度差法または徐冷法を用いることが好ましい。Alの組成比xが上方(成長方向)に向けて減少している結晶を成長させる場合および/または不純物濃度が成長方向において増加している結晶を成長させる場合には徐冷法を用いることが好ましい。特に、量産性および低コストに優れているため、徐冷法を用いることが好ましい。またそれらを組み合わせてもよい。
【0055】
次に、AlGaAs層11の主表面11aを研磨する。LPE法でAlGaAs層11を成長させると主表面11aには凹凸が生じるが、この工程により主表面11aを平坦にすることができる。
【0056】
これにより、AlGaAs層11およびGaAs基板15を含むAlGaAs基板10を製造することができる。
【0057】
次に、このAlGaAs基板10のAlGaAs層11の主表面11a上に、OMVPE(Organo Metallic Vapor Phase Epitaxy:有機金属気相成長)法またはMBE(Molecular Beam Epitaxy:分子線エピタキシ)法により活性層を含むエピタキシャル層20を形成する。この工程では、AlGaAs層11上に、上述したような活性層を含むエピタキシャル層を成長させる。
【0058】
OMVPE法は原料ガスがAlGaAs層11上で熱分解反応することにより活性層を成長させ、MBE法は非平衡系で化学反応過程を介さない方法で活性層を成長させるので、OMVPE法およびMBE法は活性層の厚みを容易に制御できる。このため、2層以上の井戸層を複数有する活性層を容易に成長できる。
【0059】
また、AlGaAs基板10のAlGaAs層11の主表面11aが平坦なので、AlGaAs層11の主表面11a上に活性層を含むエピタキシャル層20を形成する際に、エピタキシャル層20の異常成長を抑制することができる。
【0060】
以上の工程を実施することにより、図1に示すエピタキシャルウエハ1aを製造できる。
【0061】
なお、GaAs基板15の一部を除去する工程をさらに実施してもよい。この場合は、準備したGaAs基板15よりも厚みの小さなGaAs基板を備えたエピタキシャルウエハ1aを製造することになる。この場合、一部残したGaAs基板をエッチングあるいは研磨剤によるラッピングにより粗面化することが好ましい。この場合、この面での反射率を向上できる。
【0062】
以上説明したように、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1aは、GaAs基板15と、GaAs基板15上に形成され、かつ主表面11aと、主表面11aと反対側の裏面11bとを有するAlGaAs層11を含むAlGaAs基板10と、AlGaAs層11の主表面11a上に形成され、かつ活性層を含むエピタキシャル層20とを備え、AlGaAs層11において、主表面11aのAlの組成比xは裏面11bのAlの組成比xよりも低く、AlGaAs層11において、主表面11aの不純物濃度は裏面11bの不純物濃度よりも高い。
【0063】
本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1aによれば、AlGaAs層11において、主表面11aのAl組成比xは、裏面11bのAl組成比xよりも低い。このため、酸化されやすい性質を有するAlが主表面11aに存在することを抑制できる。これにより、AlGaAs基板10の表面(本実施の形態ではAlGaAs層11の主表面11a)に絶縁性の酸化層が形成されることを抑制できる。このため、このAlGaAs基板10上に形成されるエピタキシャル層に欠陥が導入されることを抑制することができる。
【0064】
また、裏面11bのAlの組成比xは、主表面11aのAl組成比xよりも高い。Alの組成比xが高い程、AlGaAs基板10の透過特性が良くなる。裏面11b側にAlが多く含まれていても、表面に露出している時間が短いため、主表面11aに酸化層が形成されることを低減できる。このため、酸化層が形成されることを抑制できる部分に、Alの組成比xの高いAlGaAs結晶を成長させることにより、透過特性を向上できる。
【0065】
本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1aを用いて、エピタキシャル層20側に、一方側から他方側へ電流が流れる第1および第2の電極を形成した横型の赤外LEDを作製すると、AlGaAs層11において主表面11aの不純物濃度は裏面11bの不純物濃度よりも高いので、電流が流れる領域の横方向(活性層の延びる方向と平行な方向)のシート抵抗(電流経路の抵抗)を下げることができる。このため、横方向に電流を流しやすくなるため、動作電圧を低減することができる。
【0066】
さらに、AlGaAs層11において裏面11bの不純物濃度は主表面11aの不純物濃度よりも低いので、透過率を良好にできるため、光取り出し効率を向上できる。このため、出力を向上することができる。
【0067】
このように、AlGaAs層11において主表面11aの不純物濃度を高くすることで、動作電圧を低減でき、裏面11bの不純物濃度を低くし、かつAlの組成比xを高くすることで、出力を向上することができる。
【0068】
それに加えて、エピタキシャルウエハ1aを構成する層は、同じ材料系であるため、熱膨張率が近く、かつ全体がエピタキシャル成長により形成されているので、各層間の半導体結合が強い。このため、非特許文献2の接着膜を有するエピタキシャルウエハに比べて各層間の剥がれを低減できる。したがって、本実施の形態のエピタキシャルウエハ1aを用いて横型構造の赤外LEDを作製すると、高温動作、熱サイクルなどによる劣化を低減できるので、高信頼性の赤外LEDを実現できる。
【0069】
また、本実施の形態のエピタキシャルウエハ1aを用いて作製した赤外LEDを屋外で使用しても、非特許文献2の接着膜を有するエピタキシャルウエハを用いて作製した赤外LEDと異なり、接着膜の紫外線劣化を考慮しなくてもよい。このため、使用上の制限を小さくすることもできる。
【0070】
また、AlGaAs基板10により、十分な導電率が得られるとともに、浮遊容量の問題を低減できるので、高速動作が可能となる。
【0071】
また、AlGaAs層11の熱伝導率は300Kで55W/(m・K)である。300Kにおいて、サファイアの熱伝導率は27W/(m・K)で、エポキシ樹脂(”bisphenolA”)は0.21W/(m・K)で、シリコーン(Qゴム)は0.16W/(m・K)である。このため、AlGaAs基板10の放熱性は良好である。したがって、本実施の形態のエピタキシャルウエハ1aを用いて作製した赤外LEDにおける大電流動作時にも対応できる。
【0072】
以上より、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1aは、赤外LEDに用いた場合に、特性を向上することができる。
【0073】
また、本実施の形態のエピタキシャルウエハ1aにおいて、AlGaAs基板10は、AlGaAs層11の裏面11bに接するGaAs基板15を含んでいる。AlGaAs基板10がGaAs基板15を含んでいる場合には、AlGaAs層11だけでなく、GaAs基板15によりエピタキシャルウエハ2a全体の厚みを厚く設計できるので、チップ作製工程でのウエハの割れ発生を抑制することができる。また、本実施の形態ではGaAs基板15を除去する必要がないので、後述するGaAs基板15を除去している実施の形態2と比べて、GaAs基板15を除去する工程の時間を短縮できる。このため、コストをより低減することができる。
【0074】
上記エピタキシャルウエハ1aにおいて好ましくは、AlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値は、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値と同じまたは高い。
【0075】
この場合、AlGaAs層11におけるエピタキシャル層20側に位置する半分の領域は、相対的に不純物濃度が高くなる。このため、このエピタキシャルウエハ1aを用いて作製された横型の赤外LEDの電流経路の抵抗をより低減することができる。したがって、エピタキシャルウエハ1aを赤外LEDに用いると、動作電圧を向上することができる。
【0076】
上記エピタキシャルウエハ1aにおいて好ましくは、AlGaAs層11において、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値が1×1016cm-3以下であることが好ましい。
【0077】
これにより、裏面11b側の厚み50%の領域において透過率を高めることができる。したがって、エピタキシャルウエハ1aを赤外LEDに用いると、出力を向上することができる。
【0078】
上記エピタキシャルウエハ1aにおいて好ましくは、AlGaAs層11において、不純物が導入された領域が主表面11a側から5μm以上60μm以下である。
【0079】
不純物が導入された領域が主表面11a側から5μm以上である場合、AlGaAs層11の厚み、組成および不純物濃度の制御が容易であるとともに、横方向のシート抵抗(電流経路の抵抗)を低減できるので、動作電圧を低減できる。一方、不純物が導入された領域が主表面11a側から60μm以下の場合、出力を向上することができる。
【0080】
上記エピタキシャルウエハ1aにおいて好ましくは、AlGaAs層11の厚み方向の異なる2点のAlの組成比xの差を△Alとし、2点の厚みの差(μm)を△tとした場合に、△Al/△tが1×10-3/μm以上2×10-2/μm以下である。
【0081】
これにより、主表面11a側で欠陥が導入されることを抑制するようにAlの組成比xを低くし、裏面11b側で透過特性を向上するようにAlの組成比xを高くすることができる。したがって、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1aを用いて横型の赤外LEDを作製した場合、特性をより向上することができる。
【0082】
(実施の形態2)
図4を参照して、本実施の形態における赤外LED用のエピタキシャルウエハ1bについて説明する。図4に示すように、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1bは、基本的には実施の形態1におけるエピタキシャルウエハ1aと同様の構成を備えているが、GaAs基板15を備えていない点において異なる。
【0083】
本実施の形態におけるAlGaAs層11の厚みは、AlGaAs基板10が自立基板となる程度に厚いことが好ましい。このような厚みは、たとえば70μm以上である。
【0084】
続いて、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1bの製造方法について説明する。本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1bの製造方法は、基本的には実施の形態1におけるエピタキシャルウエハ1aの製造方法と同様の構成を備えているが、GaAs基板15を除去する工程をさらに備えている点において異なる。
【0085】
GaAs基板15を除去する方法は、特に限定されないが、たとえば研磨、エッチングなどの方法を用いることができる。研磨とは、ダイヤモンド砥石を持つ研削設備などで、アルミナ、コロイダルシリカ、ダイヤモンドなどの研磨剤を用いてGaAs基板15を機械的に削り取ることをいう。エッチングとは、たとえばアンモニア、過酸化水素などを最適に調合することで、AlGaAsでエッチング速度が遅く、GaAsでエッチング速度が速い選択エッチング液を用いて、GaAs基板15の除去を行なうことをいう。
【0086】
GaAs基板15を除去したAlGaAs層11をエッチングあるいは研磨剤によるラッピングにより粗面化することが好ましい。この場合、この面での反射率を向上できる。
【0087】
以上説明したように、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1bは、主表面11aと、主表面11aと反対側の裏面11bとを有するAlGaAs層11を含むAlGaAs基板10と、AlGaAs層11の主表面11a上に形成され、かつ活性層を含むエピタキシャル層20とを備え、AlGaAs層11において、主表面11aのAlの組成比xは、裏面11bのAlの組成比xよりも低く、AlGaAs層11において、主表面11aの不純物濃度は、裏面11bの不純物濃度よりも高い。
【0088】
本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1bによれば、GaAs基板15を含まずにAlGaAs層11のみを有するAlGaAs基板10を備えている。GaAs基板15は波長が870nm以下の光を吸収するので、GaAs基板15が除去されたAlGaAs基板10を備えたエピタキシャルウエハ1bを用いて横型の赤外LEDを製造すると、透過率をより向上できる。このため、このエピタキシャルウエハ1bを用いて作製した赤外LEDの出力をより向上できるので、特性をより向上することができる。
【0089】
(実施の形態3)
図5を参照して、本実施の形態における赤外LED用のエピタキシャルウエハ1cについて説明する。図5に示すように、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1cは、基本的には図4に示す実施の形態2におけるエピタキシャルウエハ1bと同様の構成を備えているが、AlGaAs層11が複数の層を有する点において異なる。
【0090】
本実施の形態におけるAlGaAs層11は、第1の層12と、第1の層12上に形成された第2の層13と、第2の層13上に形成された第3の層14とを有する。
【0091】
図6〜図8に示すように、AlGaAs層11において、主表面11aに位置する第3の層14の表面のAlの組成比xは、裏面11bに位置する第1の層の裏面のAlの組成比xよりも低い。
【0092】
図6および図7に示すように、第1、第2および第3の層12、13、14のそれぞれは、裏面11bから主表面11aに向けてAlの組成比xが単調減少している層を含んでいてもよい。これにより、AlGaAs基板10に生じる反りを緩和することができる。
【0093】
図8に示すように、第1、第2および第3の層12、13、14のそれぞれは、裏面11bから主表面11aに向けてAlの組成比xが均一である層を含んでいてもよい。また、第1、第2および第3の層のそれぞれのAlの組成比xは均一で、かつ裏面11bに位置する第1の層12は主表面11aに位置する第3の層14のAlの組成比xよりも高くてもよい(図示せず)。
【0094】
図9〜図12に示すように、AlGaAs層11において、主表面11aに位置する第3の層14の表面の不純物濃度は、裏面11bに位置する第1の層12の裏面の不純物濃度よりも高い。
【0095】
図9〜図11に示すように、第1、第2および第3の層12、13、14のそれぞれは、裏面11bから主表面11aに向けて不純物濃度が単調増加している層を含んでいてもよい。
【0096】
図11および図12に示すように、第1、第2および第3の層12、13、14の少なくともいずれか1層は、不純物濃度が均一な層であってもよい。また、図12に示すように、第1、第2および第3の層12、13、14のそれぞれの不純物濃度が均一であり、かつ主表面11aに位置する第3の層14の不純物濃度は、裏面11bに位置する第1の層12の不純物濃度よりも高くてもよい。
【0097】
図10〜図12に示すように、第1、第2および第3の層12、13、14のうち、主表面11aに位置する第3の層14の不純物濃度は、残りの層である第1および第2の層12、13の不純物濃度よりも高いことが好ましい。つまり、第1、第2および第3の層12、13、14のうち、主表面11aに位置する第3の層14の不純物濃度の最小値は、残りの層である第1および第2の層12、13の不純物濃度の最大値よりも高いことが好ましい。
【0098】
図9〜図11に示すように、AlGaAs層11において裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度が変化する層は、温度などの成長条件に依存するが不純物の偏析係数が1以下のものが好ましい。代表的にはテルルを含むことが挙げられる。図11および図12に示すように、AlGaAs層11において不純物濃度が一定の層は、これについても温度などの成長条件に依存するが不純物の偏析係数が1近傍のものが好ましい。代表的には亜鉛を含むものが挙げられる。これらの偏析係数は、成長温度、結晶の面方位、不純物元素の種類に依存するため、これらの選択により分布の設計が可能である。
【0099】
ここで、本実施の形態では、AlGaAs層11は複数の層を有しているが、各層の界面は、Alの組成比および不純物濃度の少なくとも一方が不連続に変わる界面を意味する。AlGaAs層11が徐冷法や温度差法などのLPE法で形成される場合、各々の方法で、温度条件や成長槽が変わる場合に、Alの組成比および不純物濃度の少なくとも一方が不連続に変わる。この界面で区切られる層を1層と定義すると、AlGaAs基板は、2層以上のAlGaAs層を有することが望ましい。ただし、LPE法では、界面が急峻ではないため、たとえば、Al組成比xが0.1以上および/または不純物濃度が10%以上、膜厚方向に変わる場合、1層が形成されたと定義できる。
【0100】
なお、本実施の形態では、複数の層として、第1、第2および第3の層12、13、14の3層を有する場合を例に挙げて説明したが、本発明の複数の層は、2層以上であれば特に限定されない。
【0101】
本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1cの製造方法は、基本的には実施の形態2と同様であるが、AlGaAs基板を形成する工程において、複数の層を有するAlGaAs層11を形成する点において異なる。
【0102】
以上説明したように、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1cは、AlGaAs層11は、複数の層(本実施の形態では第1〜第3の層12〜14)を有している。
【0103】
複数の層のうち、主表面11aに位置する層の不純物濃度が残りの層の不純物濃度よりも高い場合には、エピタキシャルウエハ1cを用いて横型の赤外LEDを作製すると、電流経路の抵抗をより低減できるので、動作電圧をより低減できる。このため、特性をより向上できる。
【0104】
複数の層において、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比xが単調減少している場合、各層において主表面11a側で欠陥の導入を抑制し、かつ裏面11b側で透過特性を向上できる。このため、特性をより向上できる。
【0105】
またAlGaAs層11が複数の層を有している場合であっても、図10〜図12に示すように、AlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値は、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値と同じまたは高いことが好ましい。この場合、エピタキシャルウエハ1cを用いて作製された赤外LEDの電流経路の抵抗をより低減することができる。したがって、エピタキシャルウエハ1cを用いて横型の赤外LEDを作製すると、動作電圧を向上することができ、特性を向上できる。
【0106】
(実施の形態4)
図13を参照して本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1dを説明する。図13に示すように、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1dは、基本的には図5に示す実施の形態3におけるエピタキシャルウエハ1cと同様の構成を備えているが、AlGaAs基板を構成するAlGaAs層11およびエピタキシャル層20に開口部が形成されている点において異なる。本実施の形態では、エピタキシャル層20を貫通し、かつAlGaAs層11の第3の層14一部まで達する開口部が形成されている。つまり、AlGaAs層11が露出するように開口部が形成され、露出面10aが形成されている。露出面10aの不純物濃度は1×1017cm-3以上であることが好ましく、5×1017cm-3以上であることがより好ましい。
【0107】
本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1dの製造方法は、基本的には実施の形態3におけるエピタキシャルウエハ1cの製造方法と同様であるが、エピタキシャル層20およびAlGaAs層11に開口部を形成する工程をさらに備える点において異なる。具体的には、実施の形態3で製造したエピタキシャルウエハ1c上に開口部を形成するべき領域以外の領域にマスク層を形成した状態で、ドライエッチングやウエットエッチングにより開口部を形成する。このエッチングでは、エッチング深さを確認して、エピタキシャル層での下部層(表面がp型である場合にはn型層)と接触するように、エッチングを行なうことが好ましい。これにより、図13に示すように、AlGaAs層11に露出面10aを形成することができる。
【0108】
(実施の形態5)
図14を参照して本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1eを説明する。図14に示すように、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1eは、基本的には図13に示す実施の形態4におけるエピタキシャルウエハ1dと同様の構成を備えているが、エピタキシャル層20がエッチングストップ層21をさらに含む点において異なる。
【0109】
本実施の形態では、エピタキシャル層20は、エッチングストップ層21と、このエッチングストップ層21上に形成され、かつ活性層を含む層22とを含む。また、本実施の形態では、AlGaAs層11は露出せずに、エッチングストップ層21の表面が露出している。
【0110】
活性層を含む層22がAlGaAs系の活性層を含む場合のエッチングストップ層21は、たとえばAlGaInP、InGaP、InAlPが好ましい。活性層を含む層22がAlGaInP系の活性層を含む場合のエッチングストップ層21は、たとえばAlGaAs、GaAsが好ましい。
【0111】
本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1eの製造方法は、基本的には実施の形態4におけるエピタキシャルウエハ1dの製造方法と同様であるが、エピタキシャル層20を形成する工程がエッチングストップ層21を形成する工程を含む点において異なる。
【0112】
(実施の形態6)
図15を参照して本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1fを説明する。図15に示すように、本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1fは、基本的には図14に示す実施の形態4におけるエピタキシャルウエハ1dと同様の構成を備えているが、AlGaAs層11の主表面11aが露出している点において異なる。
【0113】
本実施の形態におけるエピタキシャルウエハ1fの製造方法は、基本的には実施の形態5におけるエピタキシャルウエハ1eの製造方法と同様であるが、AlGaAs層の主表面11aを露出する工程を含む点において異なる。つまり、エッチングストップ層21を利用してエッチングストップ層21上の活性層を含む層22に開口部を形成した後、露出しているエッチングストップ層21を除去する。
【0114】
(実施の形態7)
図16を参照して、本実施の形態における赤外LED2aについて説明する。図16に示すように、本実施の形態にける赤外LED2aは、実施の形態4における図13に示すエピタキシャルウエハ1dと、このエピタキシャルウエハ1dにおいて、エピタキシャル層20側に形成された第1および第2の電極31、32とを備えている。言い換えると、赤外LED2aは、第1の電極31および第2の電極32の、一方から他方へと電流が流れる、横型構造を有する。さらに言い換えると、赤外LED2aは、エピタキシャルウエハ1dの上面に第1および第2の電極31、32が形成された上面2電極(上部2端子)構造を有する。
【0115】
本実施の形態では、第1の電極31は、エピタキシャル層20においてAlGaAs基板10と接する面と反対側の面に接するように形成されている。第2の電極32は、露出したAlGaAs層11の露出面10aに接するように形成されている。露出したAlGaAs層11において、第2の電極32と接する露出面10aの不純物濃度は、1×1017cm-3以上であることが好ましい。
【0116】
エピタキシャル層20においてAlGaAs層11と接する面と反対側の表面に位置する層がp型で、かつ露出したAlGaAs層11において第2の電極と接する露出面10aに位置する層がn型である場合、第1の電極31がp型電極で、第2の電極32がn型電極である。この場合、第1の電極31は、p型透明電極であることが好ましい。透明電極は、酸化インジウムと酸化スズとの混合物、アルミニウム原子を含む酸化亜鉛、フッ素原子を含む酸化スズ、酸化亜鉛、セレン化亜鉛および酸化ガリウムからなる群から選択される少なくとも1種を含む材質から構成されることが好ましい。第2の電極32は、たとえばAuとGe(ゲルマニウム)との合金よりなる。
【0117】
第1の電極31として透明電極を用いる場合には、エピタキシャル層において接触する面は、GaAs、AlGaAs、InGaP、AlGaInP、GaPなどであることが好ましい。GaAsは高濃度のp型ドープが可能であるため、良好な動作電圧が得られる。AlGaAs、InGaP、AlGaInPおよびGaPは、バンドギャップが大きいため、光吸収が小さく、光取り出し効率を高めることができる。また、AlGaAs、InGaP、AlGaInPおよびGaPは、粗面化することにより、光取り出し効率をさらに高めることができる。
【0118】
続いて、本実施の形態における赤外LED2aの製造方法について説明する。まず、実施の形態4におけるエピタキシャルウエハ1dの製造方法により、エピタキシャルウエハ1dを製造する。
【0119】
次に、エピタキシャルウエハ1dエピタキシャル層20側に第1および第2の電極31、32を形成する。第1および第2の電極31、32の形成方法は特に限定されず、たとえば蒸着法を用いることができる。これにより、図16に示す赤外LED2aを製造することができる。
【0120】
続いて、本実施の形態における赤外LED2aの動作について説明する。第1および第2の電極31、32に電圧を印加すると、第1および第2の電極31、32の一方から他方に向けて、エピタキシャル層20およびAlGaAs層を介して電流が流れる。この電流が流れる経路は、AlGaAs層11の不純物濃度が高い領域を含むので、横方向のシート抵抗が低減されている。このため、赤外LED2aの動作電圧を低減できる。また、AlGaAs層11においてエピタキシャル層20と接する領域と反対側の領域(裏面11b側の領域)は不純物濃度が低い。このため、AlGaAs基板における裏面11b側の透過率を向上できるので、光出力を向上できる。
【0121】
なお、本実施の形態では、AlGaAs層11の主表面11aをエッチングにより除去して露出面10aを形成しているが、エピタキシャル層20のみに開口部を形成して、AlGaAs層11の主表面11aを露出面10aとし、この露出面10aに接するように第2の電極32を形成してもよい(図示せず)。
【0122】
以上説明したように、本実施の形態における赤外LED2aは、実施の形態4におけるエピタキシャルウエハ1dと、エピタキシャル層20側に形成された第1および第2の電極31、32とを備えている。
【0123】
本実施の形態における赤外LED2aによれば、AlGaAs層11のAlの組成比xおよび不純物濃度を制御したAlGaAs基板10を有するエピタキシャルウエハ1dを備えているので、特性を向上した赤外LED2aを実現できる。
【0124】
また本実施の形態では、AlGaAs層11に接するように第2の電極32を形成している。AlGaAs層11はエピタキシャル層20よりも厚みが大きいので、開口部の形状の制限が小さいため、開口部を形成しやすい。
【0125】
本実施の形態における赤外LED2aにおいて好ましくは、第2の電極32と接続される露出面10a(コンタクト面)の不純物濃度が1×1017cm-3以上である。赤外LEDにおいて、第1の電極31がp型AuZnであり、第2の電極32がn型AuGeNiであり、電流(IF)を20mA流すと、露出面10aの不純物濃度が1×1016cm-3の動作電圧(VF)は2.0Vであり、露出面10aの不純物濃度が5×1016cm-3の動作電圧は1.9Vであり、露出面10aの不純物濃度が1×1017cm-3の動作電圧は1.4Vであり、露出面10aの不純物濃度が5×1017cm-3の動作電圧は1.4Vであり、露出面10aの不純物濃度が1×1018cm-3の動作電圧は1.4Vである。このため、第2の電極32と接続される露出面10a(コンタクト面)の不純物濃度が1×1017cm-3以上であると、動作電圧を1.4V以下に大幅に低減できることがわかる。
【0126】
また本実施の形態における赤外LED2aにおいて好ましくは、AlGaAs層11において、不純物が導入された領域が主表面11a側から5μm以上60μm以下である。第2の電極32と接続される露出面10a(コンタクト面)の不純物濃度が5×1017cm-3以上であり、電流(IF)を20mA流すと、不純物濃度が5×1017cm-3以上である領域が4μmの動作電圧(VF)は1.9Vであり、5μmの動作電圧は1.4Vであり、10μmの動作電圧は1.4Vであり、50μmの動作電圧は1.4Vであり、60μmの動作電圧が1.4Vである。このため、不純物が導入された領域が5μm以上60μm以下であることにより、動作電圧を1.4V以下に大幅に低減できることがわかる。
【0127】
また本実施の形態における赤外LED2aにおいて好ましくは、AlGaAs層11の裏面11bのAl組成比xは、0.35以上であることが好ましい。赤外LED2aは横型であるので、AlGaAs層11の裏面11bのAl組成比xを0.35以上と高くすることができる。これにより。光出力をより向上することができる。この組成比は、通常の縦型のLEDにおいて産業上適用できる組成比を超えている。
【0128】
(実施の形態8)
図17を参照して、本実施の形態における赤外LED2bについて説明する。図17に示すように、本実施の形態にける赤外LED2bおよびその製造方法は、基本的には実施の形態7における赤外LED2aおよびその製造方法と同様の構成を備えているが、実施の形態4における図14に示すエピタキシャルウエハ1eを備えている点において異なる。このため、第2の電極32は、エッチングストップ層21に接するように設けられている。
【0129】
本実施の形態における赤外LED2bおよびその製造方法によれば、エピタキシャル層20はエッチングストップ層を有しているため、第2の電極32を形成する面を容易に形成することができる。
【0130】
(実施の形態9)
図18を参照して、本実施の形態における赤外LED2cについて説明する。図18に示すように、本実施の形態における赤外LED2cおよびその製造方法は、基本的には実施の形態7における赤外LED2aおよびその製造方法と同様の構成を備えるが、実施の形態5における図15に示すエピタキシャルウエハ1fを備えている点において異なる。
【0131】
本実施の形態における赤外LED2cおよびその製造方法によれば、第2の電極32は、AlGaAs層11の主表面11aに接するように設けられている。AlGaAs層11の主表面11aは不純物濃度が相対的に高いため、第2の電極32とのコンタクト抵抗を低減することができる。このため、赤外LED2cの特性をより向上することができる。
【0132】
(実施の形態10)
図19〜図21を参照して、本実施の形態における赤外LED2d〜2fについて説明する。図19〜図21に示す赤外LED2d〜2fのそれぞれは、図16〜図18に示す赤外LED2a〜2cのAlGaAs基板10がGaAs基板15をさらに含んでいる点において異なる。
【0133】
本実施の形態における赤外LED2d〜2fによれば、GaAs基板15を備えているので、割れにくく、ハンドリングが容易になる。
【実施例1】
【0134】
本実施例では、AlxGa(1-x)As層において、主表面のAlの組成比xが裏面のAlの組成比xよりも低く、かつAlxGa(1-x)As層において、主表面の不純物濃度が裏面の不純物濃度よりも高いことによる効果について調べた。
【0135】
(本発明例1)
本発明例1は、図21に示す実施の形態10における赤外LED2fの製造方法にしたがった。具体的には、まず、50mmの直径と260μmの厚みとを有するGaAs基板15を準備した。
【0136】
次に、このGaAs基板15上に、920℃〜室温間の温度条件による徐冷法で第1〜第3の層12〜14の3層を有するAlGaAs層11を成長させた。第1〜第3の層12〜14の各層は40μmの厚みを有し、AlGaAs層11は120μmの厚みを有していた。ドーパントとしてテルルをドーピングした。
【0137】
AlGaAs層11は、図7に示すAlの組成比xを有していた。具体的には、第1および第2の層12、13において、裏面11b側のAlの組成比が0.45で、主表面11a側のAlの組成比が0.25で、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比は常に減少していた。第3の層14において、裏面11b側のAlの組成比が0.35で、主表面11a側のAlの組成比が0.15で、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比は常に減少していた。つまり、AlGaAs層11において主表面11aのAlの組成比(0.15)は、裏面11bのAlの組成比(0.45)よりも低かった。
【0138】
また、AlGaAs層11は、図9に示す不純物濃度を有していた。具体的には、第1〜第3の層12〜14において、裏面11b側の不純物濃度が5×1017cm-3で、主表面11a側の不純物濃度が2×1018cm-3で、裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度は常に増加していた。つまり、AlGaAs層11において主表面11aの不純物濃度(2×1018cm-3)は裏面の不純物濃度(5×1017cm-3)よりも高かった。また、AlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値(2×1018cm-3)は、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値(2×1018cm-3)と同じであった。
【0139】
以上の条件で、AlGaAs基板を製造した。次に、OMVPE法により、活性層を含むエピタキシャル層20を形成した。
【0140】
具体的には、AlGaAs層11の主表面11a上に、n型バッファ層、エッチングストップ層、n型クラッド層、活性層、p型クラッド層、p型窓層およびp型コンタクト層をこの順で成長した。各層の成長温度は、760℃であった。n型バッファ層は0.5μmの厚みを有し、SiがドープされたAl0.15Ga0.85Asよりなり、5×1017cm-3のキャリア濃度を有していた。エッチングストップ層は、0.1μmの厚みを有し、SiがドープされたIn0.5Ga0.5Pよりなり、5×1017cm-3のキャリア濃度を有していた。n型クラッド層は1.0μmの厚みを有し、SiがドープされたAl0.35Ga0.65Asよりなり、5×1017cm-3のキャリア濃度を有していた。p型クラッド層は1.0μmの厚みを有し、ZnがドープされたAl0.35Ga0.65Asよりなり5×1017cm-3のキャリア濃度を有していた。p型窓層は3.5μmの厚みを有し、ZnがドープされたAl0.20Ga0.80Asよりなり、5×1017cm-3のキャリア濃度を有していた。p型コンタクト層は0.2μmの厚みを有し、ZnがドープされたGaAsよりなり、4×1019cm-3のキャリア濃度を有していた。また、活性層は、発光波長850nmとし、5nmの厚みを有し、In0.05Ga0.95Asよりなる井戸層と、15nmの厚みを有し、Al0.25Ga0.75Asよりなるバリア層とを、それぞれ5層有している多重量子井戸構造(MQW)であった。発光波長940nmの場合、5nmの厚みを有し、In0.25Ga0.75Asよりなる井戸層と、15nmの厚みを有し、Al0.30Ga0.70Asよりなるバリア層とを、それぞれ3層有している多重量子井戸構造(MQW)であった。
【0141】
次に、エピタキシャル層において、AlGaAs基板と接する面と反対側の面上に、電子ビーム蒸着法により、真空炉内で、酸素雰囲気中で、300℃の温度で、透明導電膜を形成した。透明導電膜は、300nmの厚みを有するITOとした。
【0142】
このエピタキシャルウエハに、150μm径で電極パッド用接触孔を設けた。エッチング液は燐酸と過酸化水素水との混合液で、AlGaAsとInGaPとの選択比は50であり、InGaPエッチングストップ層でエッチング停止を行ない、その後、エッチングストップ層を塩酸で除去し、さらに、AlGaAs基板上までバッファ層をエッチングした。
【0143】
次に、第2の電極32として、露出させたAlGaAs基板10の主表面11aに接するように、120μm径でAuGeNi電極を3μm厚で蒸着した。
【0144】
次に、透明導電膜上に、第1の電極31として、p型電極を形成した。第1の電極31のパッド径は120μmとし、電極材料をAuとした。以上の工程を実施することにより、本発明例1の赤外LEDを製造した。
【0145】
(本発明例2)
本発明例2は、基本的には本発明例1と同様の構成を備えていたが、AlGaAs層が図10に示す不純物濃度を有する点において異なっていた。
【0146】
具体的には、第1および第2の層12、13において、裏面11b側の不純物濃度が5×1016cm-3で、主表面11a側の不純物濃度が1×1018cm-3で、裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度は常に増加していた。第3の層14において、裏面11b側の不純物濃度が5×1017cm-3で、主表面11a側の不純物濃度が2×1018cm-3で、裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度は常に増加していた。つまり、AlGaAs層11において主表面11aの不純物濃度(2×1018cm-3)は裏面の不純物濃度(5×1016cm-3)よりも高かった。また、AlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値(2×1018cm-3)は、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値(1×1018cm-3)よりも高かった。
【0147】
(本発明例3)
本発明例3は、基本的には本発明例1と同様の構成を備えていたが、AlGaAs層が図12に示す不純物濃度を有する点およびドーパントとしてZnを用いた点、およびエピタキシャル層において異なっていた。
【0148】
具体的には、第1および第2の層12、13において、裏面11b側の不純物濃度が5×1017cm-3で、主表面11a側の不純物濃度が5×1017cm-3で、裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度は常に一定であった。第3の層14において、裏面11b側の不純物濃度が1×1018cm-3で、主表面11a側の不純物濃度が1×1018cm-3で、裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度は常に一定であった。つまり、AlGaAs層11において主表面11aの不純物濃度(1×1018cm-3)は裏面の不純物濃度(5×1017cm-3)よりも高かった。また、AlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値(1×1018cm-3)は、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値(5×1017cm-3)よりも高かった。また複数の層のうち、主表面11aに位置する第3の層14の不純物濃度(1×1018cm-3)は、残りの第1および第2の層12、13の不純物濃度(5×1017cm-3)よりも高かった。
【0149】
本発明例3では、以下のように、OMVPE法により活性層を含むエピタキシャル層20を形成した。AlGaAs基板がp型となるため、主表面11a上に、p型バッファ層、エッチングストップ層、p型クラッド層、活性層、n型クラッド層およびn型窓層をこの順で成長した。各層の成長温度、組成およびキャリア濃度は先の構造と同じであるが、n型窓層の厚みを5μmとしており、また、n型コンタクト層は作成しなかった。また、透明電極も用いていなかった。
【0150】
(本発明例4)
本発明例4は、基本的には本発明例1と同様の構成を備えていたが、AlGaAs層が図11に示す不純物濃度を有する点および第1および第2の層はアンドープであった点において異なっていた。
【0151】
具体的には、第1および第2の層12、13は不純物を導入しなかった。つまり、第1および第2の層12、13の不純物濃度が1×1016cm-3以下で一定であった。第3の層14において、裏面11b側の不純物濃度が5×1016cm-3で、主表面11a側の不純物濃度が1×1018cm-3で、裏面11b側から主表面11a側に向けて不純物濃度は常に増加していた。つまり、AlGaAs層11において主表面11aの不純物濃度(1×1018cm-3)は裏面の不純物濃度(1×1016cm-3以下)よりも高かった。また、AlGaAs層11において主表面11a側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値(1×1018cm-3)は、裏面11b側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値(1×1016cm-3以下)よりも高かった。また複数の層のうち、主表面11aに位置する第3の層14の不純物濃度(1×1018cm-3)は、残りの第1および第2の層12、13の不純物濃度(1×1016cm-3以下)よりも高かった。
【0152】
(本発明例5)
本発明例5は、基本的には本発明例4と同様の構成を備えていたが、AlGaAs層が図6に示すAlの組成比を有している点において異なっていた。
【0153】
具体的には、第1および第2の層12、13において、裏面11b側のAlの組成比が0.35で、主表面11a側のAlの組成比が0.15で、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比は常に減少していた。第3の層14において、裏面11b側のAlの組成比が0.35で、主表面11a側のAlの組成比が0.15で、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比は常に減少していた。つまり、AlGaAs層11において主表面11aのAlの組成比(0.15)は、裏面11bのAlの組成比(0.35)よりも低かった。なお、不純物濃度は、本発明例4と同様に図11に示す分布を有しており、ドーパントはテルルを用いている。
【0154】
(本発明例6)
本発明例6は、基本的には本発明例4と同様の構成を備えていたが、AlGaAs層が図8に示すAlの組成比を有している点において異なっていた。
【0155】
具体的には、第1および第2の層12、13において、裏面11b側のAlの組成比が0.40で、主表面11a側のAlの組成比が0.40で、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比は常に一定であった。第3の層14において、裏面11b側のAlの組成比が0.40で、主表面11a側のAlの組成比が0.15で、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比は常に減少していた。つまり、AlGaAs層11において主表面11aのAlの組成比(0.15)は、裏面11bのAlの組成比(0.40)よりも低かった。なお、不純物濃度は、本発明例4と同様に図11に示す分布を有しており、ドーパントはテルルを用いている。
【0156】
(参考例)
参考例として、エピタキシャルウエハの上面および下面に電極を形成した縦型の赤外LEDを製造した。参考例では、本発明例1のエピタキシャルウエハにおいて、GaAs基板を除去し、AlGaAs層11の裏面11b上に、第2の電極32として、n型電極を形成した。第2の電極32は、ドット状とし、材料をAuGe合金とし、厚みを1μmとした。
【0157】
(測定方法)
本発明例1〜6および参考例の赤外LEDについて、定電流源と光出力測定器(積分球)とにより、電流(IF)を20mA流した時の波長が850nmの光出力を測定した。その結果を下記の表1に示す。
【0158】
【表1】
【0159】
表1に示すように、AlxGa(1-x)As層において、主表面のAlの組成比xが裏面のAlの組成比xよりも低く、かつAlxGa(1-x)As層において、主表面の不純物濃度が裏面の不純物濃度よりも高い本発明例1〜6のエピタキシャルウエハを用いて横型の赤外LEDを作製することにより、縦型の赤外LEDよりも出力を向上できることがわかった。これは、AlxGa(1-x)As層において、主表面の不純物濃度が裏面の不純物濃度よりも高いため、電流経路の抵抗を小さくできたとともに、裏面側の透光率を向上できたこと、および、裏面側に電極を配置しないため、電極部での吸収ロスが抑制できたためであった。
【0160】
また、活性層の構造のみをかえて、波長940nmとした場合でも、本発明例1〜6の出力の大小関係は波長850nmの場合と変わらないという結果が確認され、本構造の設計の差異の効果が確認された。
【実施例2】
【0161】
本実施例では、△Al/△tが1×10-3/μm6×10-3/μm以下であることの効果について調べた。
【0162】
(本発明例7および8)
本発明例7および8は、基本的には本発明例4と同様の構成を備えていたが、AlGaAs層の第3の層において異なっていた。
【0163】
具体的には、本発明例7および8における第3の層のAlの組成比を図22におよび図23に示す。図22および図23において、AlGaAs層11の主表面11aに位置する第3の層の表面を深さ0としている。つまり、図22および図23において、AlGaAs層11の主表面11aである第3の層14の表面を深さ0とし、AlGaAs層11の裏面11b側に位置する第2の層13との界面に向けて深さを規定している。図22に示すように、本発明例7の第3の層は、50μmの厚みを有し、裏面11b側の組成比が0.20で、主表面11a側のAlの組成比が0.02で、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比xは単調減少していた。図23に示すように、本発明例8の第3の層は、36μmの厚みを有し、裏面11b側の組成比が0.49で、主表面11a側のAlの組成比が0.02で、裏面11b側から主表面11a側に向けてAlの組成比xは単調減少していた。なお、このAlの組成比xは、EPMAにより測定した値である。
【0164】
図22および図23に示すAlの組成比xを測定した本発明例7および本発明例8のAlGaAs基板について、Alの組成比の傾き(図24および25における縦軸で示されるAl組成比勾配)である△Al/△t(単位:組成差/μm)を求めた。その結果を図24および図25にそれぞれ示す。なお、図24および図25において、AlGaAs層11の主表面11aに位置する第3の層14の表面を深さ0としている。
【0165】
AlGaAs基板において、AlGaAs層11の第3の層14の厚み方向の異なる2点のAlの組成比xの差を△Alとし、2点の厚みの差(μm)を△tとした場合に、図24に示す本発明例7の△Al/△tは1×10-3/μm以上6×10-3/μm以下であり、図25に示す本発明例8の△Al/△tは5×10-3/μm以上2×10-3/μm以下であった。
【0166】
本発明例7および8のAlGaAs基板を備えた赤外LEDについて、実施例1と同様に出力を測定した結果、動作電流20mAで光出力10mWを確認した。したがって、AlxGa(1-x)As層において、主表面のAlの組成比xが裏面のAlの組成比xよりも低く、かつAlxGa(1-x)As層において、主表面の不純物濃度が裏面の不純物濃度よりも高く、かつ、△Al/△tが1×10-3/μm6×10-3/μm以下であることにより、出力をより向上できることがわかった。
【0167】
以上のように本発明の実施の形態および実施例について説明を行なったが、各実施の形態および実施例の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態および実施例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0168】
1a,1b,1c,1d,1e,f エピタキシャルウエハ、2a,2b,2c,2d,2e,2f 赤外LED、10 AlGaAs基板、10a 露出面、11 AlGaAs層、11a 主表面、11b 裏面、12 第1の層、13 第2の層、14 第3の層、15 GaAs基板、20 エピタキシャル層、21 エッチングストップ層、22 活性層を含む層、31 第1の電極、32 第2の電極。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
主表面と、前記主表面と反対側の裏面とを有するAlxGa(1-x)As層(0≦x≦1)を含むAlyGa(1-y)As基板(0≦y≦1)と、
前記AlxGa(1-x)As層の前記主表面上に形成され、かつ活性層を含むエピタキシャル層とを備え、
前記AlxGa(1-x)As層において、前記主表面のAlの組成比xは、前記裏面のAlの組成比xよりも低く、
かつ前記AlxGa(1-x)As層において、前記主表面の不純物濃度は、前記裏面の不純物濃度よりも高い、赤外LED用のエピタキシャルウエハ。
【請求項2】
前記AlxGa(1-x)As層は、複数の層を有し、
前記複数の層のうち、前記主表面に位置する層の不純物濃度は、残りの層の不純物濃度よりも高い、請求項1に記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハ。
【請求項3】
前記AlxGa(1-x)As層において前記主表面側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値は、前記裏面側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値と同じまたは高い、請求項1または2に記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハ。
【請求項4】
前記AlxGa(1-x)As層において、前記裏面側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値が1×1016cm-3以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハ。
【請求項5】
前記AlxGa(1-x)As層において、不純物が導入された領域が前記主表面側から5μm以上60μm以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハ。
【請求項6】
前記AlxGa(1-x)As層は、複数の層を有し、
前記複数の層において、前記裏面側から前記主表面側に向けてAlの組成比xが単調減少している、請求項1〜5のいずれか1項に記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハ。
【請求項7】
前記AlxGa(1-x)As層の厚み方向の異なる2点のAlの組成比xの差を△Alとし、前記2点の厚みの差(μm)を△tとした場合に、△Al/△tが1×10-3/μm以上2×10-2/μm以下である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハ。
【請求項8】
前記AlxGa(1-x)As層の前記裏面に接するGaAs基板をさらに備えた、請求項1〜7のいずれか1項に記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハ。
【請求項9】
請求項1〜8のいずれか1項に記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハと、
前記エピタキシャルウエハにおいて、前記エピタキシャル層側に形成された第1および第2の電極とを備えた、赤外LED。
【請求項10】
前記AlxGa(1-x)As層が露出するように前記エピタキシャル層に開口部が形成され、
前記第1の電極は、前記エピタキシャル層において前記AlxGa(1-x)As層と接する面と反対側の表面に接するように形成され、
前記第2の電極は、前記露出したAlxGa(1-x)As層に接するように形成された、請求項9に記載の赤外LED。
【請求項11】
前記露出したAlxGa(1-x)As層において、前記第2の電極と接する表面の不純物濃度は、1×1017cm-3以上である、請求項10に記載の赤外LED。
【請求項12】
前記第1の電極がp型透明電極であり、前記第2の電極がn型電極である、請求項9〜11のいずれか1項に記載の赤外LED。
【請求項13】
前記p型透明電極は、酸化インジウムと酸化スズとの混合物、アルミニウム原子を含む酸化亜鉛、フッ素原子を含む酸化スズ、酸化亜鉛、セレン化亜鉛および酸化ガリウムからなる群から選択される少なくとも1種を含む材質から構成される、請求項12に記載の赤外LED。
【請求項1】
主表面と、前記主表面と反対側の裏面とを有するAlxGa(1-x)As層(0≦x≦1)を含むAlyGa(1-y)As基板(0≦y≦1)と、
前記AlxGa(1-x)As層の前記主表面上に形成され、かつ活性層を含むエピタキシャル層とを備え、
前記AlxGa(1-x)As層において、前記主表面のAlの組成比xは、前記裏面のAlの組成比xよりも低く、
かつ前記AlxGa(1-x)As層において、前記主表面の不純物濃度は、前記裏面の不純物濃度よりも高い、赤外LED用のエピタキシャルウエハ。
【請求項2】
前記AlxGa(1-x)As層は、複数の層を有し、
前記複数の層のうち、前記主表面に位置する層の不純物濃度は、残りの層の不純物濃度よりも高い、請求項1に記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハ。
【請求項3】
前記AlxGa(1-x)As層において前記主表面側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値は、前記裏面側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値と同じまたは高い、請求項1または2に記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハ。
【請求項4】
前記AlxGa(1-x)As層において、前記裏面側の厚み50%の領域での不純物濃度の最大値が1×1016cm-3以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハ。
【請求項5】
前記AlxGa(1-x)As層において、不純物が導入された領域が前記主表面側から5μm以上60μm以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハ。
【請求項6】
前記AlxGa(1-x)As層は、複数の層を有し、
前記複数の層において、前記裏面側から前記主表面側に向けてAlの組成比xが単調減少している、請求項1〜5のいずれか1項に記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハ。
【請求項7】
前記AlxGa(1-x)As層の厚み方向の異なる2点のAlの組成比xの差を△Alとし、前記2点の厚みの差(μm)を△tとした場合に、△Al/△tが1×10-3/μm以上2×10-2/μm以下である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハ。
【請求項8】
前記AlxGa(1-x)As層の前記裏面に接するGaAs基板をさらに備えた、請求項1〜7のいずれか1項に記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハ。
【請求項9】
請求項1〜8のいずれか1項に記載の赤外LED用のエピタキシャルウエハと、
前記エピタキシャルウエハにおいて、前記エピタキシャル層側に形成された第1および第2の電極とを備えた、赤外LED。
【請求項10】
前記AlxGa(1-x)As層が露出するように前記エピタキシャル層に開口部が形成され、
前記第1の電極は、前記エピタキシャル層において前記AlxGa(1-x)As層と接する面と反対側の表面に接するように形成され、
前記第2の電極は、前記露出したAlxGa(1-x)As層に接するように形成された、請求項9に記載の赤外LED。
【請求項11】
前記露出したAlxGa(1-x)As層において、前記第2の電極と接する表面の不純物濃度は、1×1017cm-3以上である、請求項10に記載の赤外LED。
【請求項12】
前記第1の電極がp型透明電極であり、前記第2の電極がn型電極である、請求項9〜11のいずれか1項に記載の赤外LED。
【請求項13】
前記p型透明電極は、酸化インジウムと酸化スズとの混合物、アルミニウム原子を含む酸化亜鉛、フッ素原子を含む酸化スズ、酸化亜鉛、セレン化亜鉛および酸化ガリウムからなる群から選択される少なくとも1種を含む材質から構成される、請求項12に記載の赤外LED。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図2】
【図3】
【図4】
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【図6】
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【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【公開番号】特開2012−9536(P2012−9536A)
【公開日】平成24年1月12日(2012.1.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−142598(P2010−142598)
【出願日】平成22年6月23日(2010.6.23)
【出願人】(000002130)住友電気工業株式会社 (12,747)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年1月12日(2012.1.12)
【国際特許分類】
【出願日】平成22年6月23日(2010.6.23)
【出願人】(000002130)住友電気工業株式会社 (12,747)
【Fターム(参考)】
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