JP2016042534A - ＩｎＧａＮ系化合物半導体発光装置の製造方法及び波長調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易に発光波長を調整できるＩｎＧａＮ系化合物半導体発光装置の製造方法及び波長調整方法を提供する。【解決手段】基板を第１基板１０ａ及び第２基板１０ｂとし、第１基板１０ａの裏面に穴あるいは溝の少なくともいずれかを形成する。第１基板１０ａの裏面側から加熱しつつ、第２基板１０ｂの表面にＩｎＧａＮ系化合物半導体発光層２３を含むＧａＮ系化合物半導体層を積層することで、ＩｎＧａＮ系化合物半導体発光層２３からの発光波長を調整する。【選択図】図１

Description

本発明は、ＩｎＧａＮ（ＡｌＩｎＧａＮを含む）系化合物半導体発光装置の製造方法に関し、特に発光波長の調整に関する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）は物理的・化学的に安定であり、緑、青〜紫外、白色ＬＥＤ等に利用されている。ＧａＮ系化合物半導体を用いた発光装置の中でも、波長２１０ｎｍ〜１７００ｎｍで発光するＬＥＤは、ＩｎＧａＮ（ＡｌＩｎＧａＮを含む）系を用いる場合が多い。例えばＡｌＩｎＧａＮ系を発光層として用いた場合、Ｉｎの組成を変化させることで発光波長は２１０ｎｍ〜１７００ｎｍの範囲で変化する。

特許文献１には、絶縁基板の裏面に周期的に溝を形成し、溝内にチタン膜を形成し、絶縁基板の裏面側から加熱することで絶縁基板内に周期的に温度分布を生じさせ、発光スペクトルを調整する技術が記載されている。

特許文献２には、サファイア基板の裏面に溝を形成し、この溝を埋め込むようにサファイア基板より熱伝導度の高い熱伝導層を形成して、素子の発光効率を増大させる技術が記載されている。

特許第４３０９１０６号 特開２００９−２７８１３９号公報

基板の裏面に溝を形成し、あるいは溝内にチタン等の膜あるいは層を形成することは、基板内に温度分布を生じさせて発光スペクトルを調整するのに有効であるが、他方で、発光装置を製造する毎に基板の裏面を加工する手間が生じる問題がある。また、チタン等の膜を真空蒸着する際に、反応炉内を汚すおそれもある。従って、より簡易に発光波長を所望の範囲に調整できる技術が求められている。

本発明の目的は、従来以上にさらに簡易に発光波長を調整できるＩｎＧａＮ（ＡｌＩｎＧａＮを含む）系化合物半導体発光装置の製造方法及び波長調整方法を提供することにある。

本発明は、ＡｌＩｎＧａＮを含むＩｎＧａＮ系化合物半導体発光装置を製造する方法であって、表面が平坦で裏面が加工された第１基板の表面に、表面及び裏面が平坦な第２基板を配置する工程と、前記第１基板の裏面側から加熱しつつ、前記第２基板の表面にＡｌＩｎＧａＮを含むＩｎＧａＮ系化合物半導体発光層を含むＧａＮ系化合物半導体層を積層する工程とを備えることを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、前記第１基板の裏面の加工は、穴加工あるいは溝加工の少なくともいずれかである。

本発明において、前記第２基板は、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板のいずれかとすることができる。例えば、第１基板及び第２基板をともにサファイア基板とすることができる。

また、本発明は、基板を第１基板及び第２基板とし、前記第１基板の裏面に穴あるいは溝の少なくともいずれかを形成し、前記第１基板の表面に、その裏面が平坦な第２基板を載置し、前記第１基板の裏面側から加熱しつつ、前記第２基板の表面にＡｌＩｎＧａＮを含むＩｎＧａＮ系化合物半導体発光層を含むＧａＮ系化合物半導体層を積層することで、前記ＩｎＧａＮ系化合物半導体発光層からの発光波長を調整することを特徴とする。

本発明によれば、ＩｎＧａＮ（ＡｌＩｎＧａＮを含む）系化合物半導体発光層を含むＧａＮ系化合物半導体層が積層される基板の裏面に溝加工する必要がなく、発光波長を調整することができる。本発明では、第１基板の裏面を加工しておいてこの加工済みの第１基板上に第２基板を配置することで、第１基板を何回でも利用することができ、製造工程を簡易化できる。

実施形態におけるＩＮＧａＮ系化合物半導体発光装置の構成図である。 第１基板及び第２基板の平面図である。 実施形態の製造方法を示す説明図である。 実施形態におけるＰＬ測定結果図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

＜基本原理＞
まず、本実施形態の基本原理について説明する。

発光層としてＩｎＧａＮやＡｌＩｎＧａＮを形成する際、その組成は温度変化に対して高感度に変化し、組成変化は発光波長の変化を生じさせる。従って、同一デバイス内で意図的に面内温度分布を生じさせることで発光波長を広範囲に変化させることが可能となる。

例えば、Ｉｎ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ発光層の発光ピーク波長は約４５０ｎｍであるが、ＩｎＧａＮの成長温度が１０℃異なると発光ピーク波長は２０ｎｍ以上変化する。これは、ＩｎＧａＮの成長温度がＩｎＮの蒸発温度（約５００℃）よりも高いので、Ｉｎ_ｘＧａ_１−ｘＮの組成比ｘが、ＩｎＮの蒸発率とＩｎＧａＮの供給率とのバランスで決定されるからである。温度が高いとＩｎＮが蒸発してＩｎ組成比ｘは低下し、組成比ｘの低下に伴い発光波長は短波長側にシフトする。また、温度が低いとＩｎＮの蒸発が抑制されてＩｎ組成比ｘが増大し、組成比ｘの増大に伴い発光波長は長波長側にシフトする。

サファイア基板等の基板の裏面に溝を形成し、この溝内にチタン膜等を成膜することで面内温度分布を生じさせ、発光層の組成変化を生じさせることができるが、ＬＥＤ等の発光素子ないし発光装置を製造する毎に、その都度基板の裏面を可能するのは手間である。

そこで、本実施形態では、基板を第１基板及び第２基板の２基板構成とし、ＧａＮ系化合物半導体層が順次形成される基板（第２基板）の裏面は加工せず、この第２基板の下に配置される基板(第１基板)の裏面を加工することで、第１基板、ひいては第２基板に面内温度分布を生じさせ、第２基板上に積層される発光層の組成変化を生じさせるものである。

第２基板が十分に厚い場合は別にして、第２基板が１ｍｍ程度以下であれば、第１基板の面内温度分布がその上に配置された第２基板の面内温度分布に影響を与え、第２基板上に形成される発光層の組成変化を引き起こす。従って、第２基板の裏面は加工せず、第１基板の裏面のみを加工することで発光波長を広範囲に変化させることができる。また、第１基板及び第２基板の２基板構成とし、第１基板の裏面を加工することで、発光装置を製造する毎に、基板（第２基板）を加工する必要が無くなり、一度、第１基板の裏面を加工しておいてこの加工済みの第１基板上に順次第２基板を配置することで、第１基板を何回でも利用することができるため、製造工程を大幅に簡易化し、製造時間を短縮することができる。

第１基板裏面の加工態様としては、裏面に穴を形成する、あるいは裏面に溝を形成する等がある。穴を形成すると、その分だけ第１基板の裏面側からヒータ等で加熱する際の熱が第２基板に伝わり難くなるため、第２基板における穴に対応する部位が他の部位に比べて相対的に低温となる。また、溝を形成しても、その分だけ第１基板の裏面側からヒータ等で加熱する際の熱が第２基板に伝わり難くなるため、第２基板における溝に対応する部位が他の部位に比べて相対的に低くなる。温度が低くなるとＩｎＧａＮ系発光層のＩｎ組成比ｘが増大して発光波長が長波長側にシフトする。穴あるいは溝の形成度合いを調整することで長波長側へのシフト量を調整し、所望の発光スペクトルが得られる。

次に、本実施形態におけるＩｎＧａＮ（ＡｌＩｎＧａＮを含む）系化合物半導体発光装置について、発光ダイオード（ＬＥＤ）を例にとり説明する。

＜実施形態の構成＞
図１は、本実施形態におけるＩｎＧａＮ系ＬＥＤの基本構成である。

基板１０は、第１基板１０ａ及び第２基板１０ｂから構成され、第１基板１０ａ上に第２基板１０ｂが配置される。第１基板１０ａ及び第２基板１０ｂはともにサファイア基板であり、その厚さはともに３３０μｍである。

第１基板１０ａの表面側（第２基板１０ｂに当接する上面側）はミラー研磨されており、第１基板１０ａの裏面側は穴加工及び溝加工される。溝の深さは例えば８０μｍである。

第２基板１０ｂの表面側（ＧａＮ系化合部半導体層が順次形成される面側）はミラー研磨されており、裏面側（第１基板１０ａに当接する下面側）は研磨されている。

第２基板１０ｂ上には、順次、バッファ層１２、ＧａＮ層１４、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮコンタクト層１６、ＧａＮ層１８／ＩｎＧａＮ層２０／ＧａＮ層２２のＳＱＷ（単一量子井戸：Single Quantum Well）発光層２３、Ｍｇドープのｐ−ＡｌＧａＮ層２４及びＭｇドープのｐ−ＧａＮコンタクト層２６が形成される。ＧａＮやＡｌＧａＮは１０５０℃で成長させ、ＩｎＧａＮは７５０℃で成長させる。バッファ層１２からｐ−ＧａＮ層２６までのトータルの層厚は５μｍである。

ｎ−ＧａＮ層１６にｎ電極、ｐ−ＧａＮ層２６にｐ電極を形成し電圧を印加することでＬＥＤとして機能し、発光層２３から組成に応じた波長の光が射出する。

図２は、第１基板１０ａ及び第２基板１０ｂの平面図であり、ともに裏面側から見たものである。図２（ａ）に示すように、第２基板１０ｂの裏面は穴や溝加工はされておらず、図２（ｂ）に示すように、第１基板１０ａの裏面に穴１０ａ１及び溝１０ａ２が形成される。

図３は、ＩｎＧａＮ系ＬＥＤの製造装置である。反応室のサセプタには第１基板１０ａが載置されており、第１基板１０ａの上に第２基板１０ｂを載置する。具体的には、第２基板１０ｂをウェーハトレイの上に載置し、真空ゲートから反応室の内部に搬入してサセプタの上にセットする。第２基板１０ｂは第１基板１０ａに対して所定量（例えば６ｍｍ）だけずれて載置され、第２基板１０ｂのうち第１基板１０ａ上に載置されていない部位が存在する。次に、反応室の内部を真空ポンプで減圧しながら、ヒータ１００でサセプタを加熱する。そして、原料ガスを反応室に供給して第２基板１０ｂ上に順次、バッファ層１２、ＧａＮ層１４、Ｓｉドープのｎ−ＧａＮ層１６、ＧａＮ層１８／ＩｎＧａＮ層２０／ＧａＮ層２２のＳＱＷ発光層２３、Ｍｇドープのｐ−ＡｌＧａＮ層２４及びＭｇドープのｐ−ＧａＮ層２６を形成する。

図４は、図１の構成におけるＬＥＤのＰＬ（フォトルミネセンス）測定結果である。横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は強度（ａ．ｕ．）を示す。

図４において、ａは第１基板１０ａのうち穴１０ａ１及び溝１０ａ２のいずれも存在しない部位における発光スペクトルを示し、ｂは第１基板１０ａのうち溝１０ａ２が存在する部位における発光スペクトルを示し、ｃは第１基板１０ａのうち穴１０ａ１が存在する部位における発光スペクトルを示す。また、ｄは第１基板１０ａと第２基板１０ｂがずれている部位、すなわち第２基板１０ｂのうち第１基板１０ａが存在しない部位の発光スペクトルを示す。

第１基板１０ａのうち穴１０ａ１及び溝１０ａ２のいずれも存在しない部位、すなわち単にサファイア基板を２重にした部位では、ａに示すように発光ピーク波長は約４４０ｎｍである。

他方、第１基板１０ａのうち溝１０ａ２が存在する部位では、ｂに示すように発光ピーク波長は約４７０ｎｍであり、第１基板１０ａのうち穴１０ａ１が存在する部位では、ｃに示すように発光ピーク波長は約５２０ｎｍとなっている。

発光ピーク波長で比較すると、
２重のサファイア基板の波長＜溝１０ａ２ありの波長＜穴１０ａ１ありの波長
である。これは、溝１０ａ２が存在する場合には、その分だけ２重のサファイア基板の場合に比べてヒータ１００の熱が伝わり難くなって相対的に低温となり、Ｉｎ組成比ｘが増大して長波長側にシフトし、穴１０ａ１が存在する場合には、その分だけさらに溝１０ａ２が存在する場合に比べてヒータ１００の熱が伝わり難くなって相対的に低温となり、Ｉｎ組成比ｘがさらに増大して長波長側にシフトしたものである。溝１０ａ２の深さを調整することで、発光ピーク波長を微調整できることは容易に理解されよう。すなわち、溝１０ａ２の深さが０の場合には２重のサファイア基板の場合と発光ピーク波長は同一であり、溝１０ａ２の深さが深くなるに従い発光ピーク波長は長波長側にシフトする。

このように、第２基板１０ｂの裏面に溝を形成することなく、あるいは第２基板１０ｂの裏面に溝を形成してチタン膜等を成膜することなく、第１基板１０ａの裏面に穴１０ａ１や溝１０ａ２を加工することで、広範囲に発光波長を調整することができる。

なお、第１基板１０ａと第２基板１０ｂが互いにずれており、第２基板１０ｂのうち第１基板１０ａが存在しない端部の部位では、ｄに示すように約５３０ｎｍと約６００ｎｍに発光ピーク波長が存在している。約５３０ｎｍの光はＧａＮ結晶の欠陥に起因するディープレベル（ＤＬ）からの発光であり、ヒータから離れており熱伝導率が低いため、その分発光波長が長波長側にシフトしたものと考えられる。本実施形態では、第１基板１０ａと第２基板１０ｂのずれ量を所定量（６ｍｍ）としているが、第１基板１０ａと第２基板１０ｂのずれ量をさらに大きくすることで発光ピーク波長はさらに長波長側にシフトしていく。

以上のように、本実施形態では、第１基板１０ａ及び第２基板１０ｂの２つの基板構成とすることで、第２基板１０ｂの裏面に溝やチタン膜等を成膜することなく、発光波長を広範囲に変化（約４４０ｎｍから約６００ｎｍさらにはより長波長域まで）させることができる。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、本実施形態では、第１基板１０ａの裏面に穴１０ａ１及び溝１０ａ２を形成しているが、穴１０ａ１のみを周期的または非周期的に形成してもよく、あるいは溝１０ａ２のみを周期的または非周期的に形成してもよい。穴１０ａ１を形成する際に、穴１０ａ１の径を周期的に変化させてもよく、溝１０ａ２を形成する際に、溝１０ａ２の深さを周期的に変化させてもよい。また、溝１０ａ２を形成する際に、その断面形状は必ずしも図１に示すような矩形である必要はなく、円形、楕円形その他の形状でもよい。さらに、第１基板１０ａのある領域はサファイアで構成され、他の領域はガラスで構成されていてもよい。すなわち、第１基板１０ａの材質は周期的または非周期的に変化していてもよい。

また、本実施形態では発光層２３としてＩｎＧａＮ ＳＱＷを用いているが、ＩｎＧａＮ ＭＱＷ（多重量子井戸：Multi Quantum Well）を用いることもできる。また、発光層としてＩｎＧａＮではなく、ＡｌＩｎＧａＮを用いることもできる。要するに、温度変化に対して高感度に組成が変化し、その結果発光波長が変化し得る任意のＩｎＧａＮ系発光層を用いることができる。本実施形態では、青色発光の発光層を用いているが、これに限らず、紫外（ＵＶ）や青緑色の発光層を用いてもよい。

また、本実施形態では、第２基板１０ｂとしてサファイア基板を用いているが、ＩｎＧａｎあるいはＡｌＩｎＧａＮ発光層を成長させることができるＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、あるいはＳｉＣ基板としてもよい。

また、本実施形態では、第１基板１０ａとしてサファイア基板ないしガラス基板を用いているが、ＧａＮ系化合物半導体層を成長させる温度で安定な任意の材料、例えばＳｉＣ、ＧａＮ、ＡｌＮ等を用いてもよい。

さらに、本実施形態では、第１基板１０ａ、第２基板１０ｂともにその厚さを３３０μｍとしたが、これは例示であり、それぞれ１ｍｍ以下、より望ましくは０．５ｍｍ以下であればよい。第１基板１０ａと第２基板１０ｂのトータルの厚さを１ｍｍ以下としてもよく、第１基板１０ａと第２基板１０ｂの厚さは必ずしも同一である必要はない。

１０ａ 第１基板、１０ｂ 第２基板、１０ａ１ 穴、１０ａ２ 溝、１２ バッファ層、１４ ＧａＮ層、１６ ｎ−ＧａＮ層、１８ ＧａＮ層、２０ ＩｎＧａＮ層、２２ ＧａＮ層、２３ 発光層、２４ ｐ−ＡｌＧａＮ層、２６ ｐ−ＧａＮ層、１００ ヒータ。

Claims (4)

1. ＡｌＩｎＧａＮを含むＩｎＧａＮ系化合物半導体発光装置を製造する方法であって、
   表面が平坦で裏面が加工された第１基板の表面に、表面及び裏面が平坦な第２基板を配置する工程と、
   前記第１基板の裏面側から加熱しつつ、前記第２基板の表面にＡｌＩｎＧａＮを含むＩｎＧａＮ系化合物半導体発光層を含むＧａＮ系化合物半導体層を積層する工程と、
   を備えることを特徴とするＩｎＧａＮ系化合物半導体発光装置の製造方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   前記第１基板の裏面の加工は、穴加工あるいは溝加工の少なくともいずれかであることを特徴とするＩｎＧａＮ系化合物半導体発光装置の製造方法。
3. 請求項１，２のいずれかに記載の方法において、
   前記第２基板は、サファイア基板、ＧａＮ基板、ＡｌＮ基板、ＳｉＣ基板のいずれかである
   ことを特徴とするＩｎＧａＮ系化合物半導体発光装置の製造方法。
4. 基板を第１基板及び第２基板とし、
   前記第１基板の裏面に穴あるいは溝の少なくともいずれかを形成し、
   前記第１基板の表面に、その裏面が平坦な第２基板を載置し、
   前記第１基板の裏面側から加熱しつつ、前記第２基板の表面にＡｌＩｎＧａＮを含むＩｎＧａＮ系化合物半導体発光層を含むＧａＮ系化合物半導体層を積層することで、前記ＩｎＧａＮ系化合物半導体発光層からの発光波長を調整することを特徴とするＩｎＧａＮ系化合物半導体発光装置の波長調整方法。
   

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