專利名稱：GaP外延片及GaP發(fā)光元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及GaP外延片及GaP發(fā)光元件。發(fā)光二極體等的發(fā)光元件，通常依照下述方法制得，即在化合物半導(dǎo)體基板上層積復(fù)數(shù)的化合物半導(dǎo)體層，以制作具有p-n接合的多層化合物半導(dǎo)體晶圓，再將其元件化。以往，在紅色系或綠色系的化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件中所使用的GaP外延片是在GaP(磷化鈣)單結(jié)晶基板上形成GaP外延層的GaP外延片。
化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件有待改善的大問題之一乃亮度。為提高化合物半導(dǎo)體發(fā)光元件的亮度，已做過各種嘗試，例如使用結(jié)晶缺陷少的質(zhì)量良好的基板(參照專利文獻(xiàn)1)、或使摻質(zhì)的添加濃度最佳化(參照專利文獻(xiàn)2)等等。
〔專利文獻(xiàn)1〕日本特開2000-143398號公報〔專利文獻(xiàn)2〕日本特開平10-294489號公報本發(fā)明的目的然而，發(fā)光元件高亮度化的要求不斷在增高，為回應(yīng)該要求，需要研討更進(jìn)一步的改善方案。
本發(fā)明的課題，是提供可獲得更高亮度的GaP外延片及使用此外延片的GaP發(fā)光元件。
發(fā)明的概述為解決該課題，本發(fā)明中的在n型GaP單結(jié)晶基板之{111}B面上形成的n型GaP層的GaP外延片，其特征在于，在將{01-1}裂面選擇蝕刻后，于n型GaP層處可觀察到的梳齒狀結(jié)晶缺陷的條數(shù)為每100μm的成長界面為30條以下，其中該結(jié)晶缺陷為處于n型GaP層成長界面且與平行面交叉并且延伸的梳齒狀結(jié)晶缺陷。
本發(fā)明的GaP發(fā)光元件，是在n型GaP單結(jié)晶基板的{111}B面上，由復(fù)數(shù)個n型GaP層與至少1層的p型GaP層層積而構(gòu)成，其特征在于，在將{01-1}裂面選擇蝕刻后，于復(fù)數(shù)個n型GaP層中與n型GaP單結(jié)晶基板鄰接的結(jié)晶性改善層處可觀察到的梳齒狀結(jié)晶缺陷的條數(shù)為每100μm的成長界面為30條以下，其中該結(jié)晶缺陷為處于結(jié)晶性改善層的成長界面且與平行面交叉并且延伸的梳齒狀結(jié)晶缺陷。
一般而言，用于GaP發(fā)光元件的GaP外延片，在GaP單結(jié)晶基板上具有n型GaP結(jié)晶性改善層(n型GaP緩沖層)。然而，盡管在結(jié)晶性改善層上形成含p-n連接的發(fā)光層部，也無法得到足夠亮度的發(fā)光元件。為了探究其原因，本發(fā)明者們針對形成發(fā)光層部的前階段，既GaP外延片的品質(zhì)，實施了詳細(xì)調(diào)查。因此，發(fā)現(xiàn)了梳齒狀結(jié)晶缺陷的存在，既將在n型GaP單結(jié)晶基板的{111}B面處形成的n型GaP層的GaP外延片的{01-1}裂面選擇蝕刻后，與n型GaP單結(jié)晶基板鄰接的處于n型GaP緩沖層的成長界面且與平行面交叉并且延伸的梳齒狀結(jié)晶缺陷。進(jìn)而，針對該梳齒狀結(jié)晶缺陷的條數(shù)與發(fā)光亮度的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查后完成了本發(fā)明。
亦即，當(dāng)使用了該種GaP外延片，既與n型GaP單結(jié)晶基板鄰接的n型GaP層上觀察到的梳齒狀結(jié)晶缺陷條數(shù)，在GaP單結(jié)晶基板與n型GaP層間的成長界面處為每100μm中30條以下的GaP外延片，可抑制亮度的降低，從而制作出高亮度的發(fā)光元件。使用梳齒狀結(jié)晶缺陷的條數(shù)超過30條的GaP外延片所制作出的發(fā)光元件，將會變得輝度不足。
再者，GaP單結(jié)晶基板的{111}B面表示的是結(jié)晶方位為〔111〕的P填充面。亦即，當(dāng)GaP單結(jié)晶以(111)面作為Ga填充面時，則(-1-1-1)面為P填充面。另外，{01-1}裂面包含(0-11)、(01-1)、(1-10)、(-110)、(10-1)、(-101)。面指數(shù)的上標(biāo)“-”，為方便起見標(biāo)以在數(shù)字前的“-”來替代。
發(fā)明的具體描述以下參照


本發(fā)明的一實施形態(tài)。圖1系本發(fā)明之GaP發(fā)光元件之截面示意圖。GaP發(fā)光元件1在n型GaP單結(jié)晶基板10的{111}B面上，具有依序?qū)臃en型GaP緩沖層11(結(jié)晶性改善層)、n型GaP層12、N(氮)摻雜n型GaP層13、p型GaP層14的構(gòu)造。n型GaP單結(jié)晶基板10和n型GaP緩沖層11構(gòu)成本發(fā)明的GaP外延片。
n型GaP單結(jié)晶基板10、n型GaP緩沖層11及n型GaP層12中，添加有n型摻質(zhì)、例如硅(Si)。N摻雜n型GaP層13與p型GaP層14之間系形成p-n連接。N摻雜n型GaP層13中，摻雜有n型摻質(zhì)的硅(Si)與氮(N)。氮的作用是當(dāng)作等電子阱，其有助于發(fā)光效率的提升。氮之摻雜量，視所要求的發(fā)光輸出水平與主發(fā)光波長值來做調(diào)整。另一方面，p型GaP層14中，添加有p型摻質(zhì)、例如鋅(Zn)。
用RC液將其{01-1}裂開面實施選擇性蝕刻時，于n型GaP緩沖層11所觀察到的梳齒狀結(jié)晶缺陷(參照圖4)條數(shù)，在成長界面的平行方向上每100μm為30條以下的是GaP發(fā)光元件1。因此，n型GaP緩沖層11上所形成的n型GaP層12的結(jié)晶質(zhì)量良好，而且顯示高亮度。
其次，說明GaP發(fā)光元件1的制造方法。首先，切斷用LEC(LiquidEncapsulated Czochralski)法等眾所周知的單結(jié)晶育成法制作的GaP單結(jié)晶棒，得n型GaP單結(jié)晶基板10。n型GaP單結(jié)晶基板10做去角、研磨等的預(yù)處理。
其次，如圖2所示，將n型GaP單結(jié)晶基板10收容于成長容器20內(nèi)后，旋轉(zhuǎn)成長容器20使n型GaP單結(jié)晶基板10與Ga溶液16接觸。Ga溶液16，是溶有GaP多結(jié)晶及n型摻質(zhì)(Si)而構(gòu)成的飽和溶液。接著，將Ga溶液16加熱，使n型GaP單結(jié)晶基板的表面回熔(meltback)。接著，將Ga溶液16的溫度以約0.2℃/分鐘的速度逐漸降低，使溶解于Ga溶液16中的GaP析出于n型GaP單結(jié)晶基板10作為緩沖層11。如此制得在n型GaP單結(jié)晶基板10上形成n型GaP緩沖層11的GaP外延片3(參照圖1)。
接著，從成長容器20取出用于結(jié)晶缺陷觀察的GaP外延片3后，從{01-1}面劈開，使用眾所周知的RC液，對該裂面進(jìn)行選擇性蝕刻形成梳齒狀結(jié)晶缺陷。RC是由HF水溶液、HNO3水溶液及AgNO3組成的混合水溶液。
然后，將用RC液進(jìn)行選擇性蝕刻處理的{01-1}裂面，使用光學(xué)顯微鏡來觀察。并計算n型GaP緩沖層11上所觀察到的梳齒狀結(jié)晶缺陷條數(shù)。梳齒狀結(jié)晶缺陷，與n型GaP單結(jié)晶基板10和n型GaP緩沖層11的成長界面(交界面)的平行面呈交叉延伸。因此，將梳齒狀結(jié)晶缺陷的密度以每100μm{01-1}裂面中出現(xiàn)的條數(shù)來表示為最佳。其計算結(jié)果為30條以下的GaP外延片3，適用于高亮度的GaP系發(fā)光元件。
當(dāng)以RC液蝕刻GaP外延片3的{01-1}裂面時，有時會觀察到樹根狀的結(jié)晶缺陷(Rooty fault)。樹根狀結(jié)晶缺陷與成長層的凹凸完全一致，且沿著與基板的交界面平行的方向延伸。相對于此，本發(fā)明所稱的梳齒狀結(jié)晶缺陷和GaP單結(jié)晶基板呈交叉。因此，兩者就算同時發(fā)生也能加以區(qū)別。
當(dāng)確認(rèn)出梳齒狀結(jié)晶缺陷的數(shù)目位于容許范圍內(nèi)后，在n型GaP緩沖層11上，依序形成n型GaP層12、N摻雜n型GaP層13及p型GaP層14。這些外延層，如圖3所示，由采用滑動晶舟(slide boat)法的液相成長裝置60來可進(jìn)行連續(xù)成長。
液相成長裝置60之爐心管23形成相鄰的成長室22與摻質(zhì)源收容室21。包含石英制基板架24及石英制溶液架25的滑動晶舟26配置在成長室22內(nèi)。GaP外延片3收容于基板架24的凹部。在收容有GaP外延片3的基板架24上，配置著收容有Ga溶液30的溶液架25。Ga溶液30是從周圍的氣氛取得摻質(zhì)。
在摻質(zhì)源收容室21內(nèi)配置晶舟28。晶舟28收容著用作p型摻質(zhì)源的Zn。摻質(zhì)源收容室21與氣體供給管31連接，以將H2及Ar中至少一種、作為N參雜源NH3供給至爐心管23內(nèi)。而且在爐心管23外周配置著用來加熱成長室22的主加熱器32及用來加熱摻質(zhì)源收容室21的副加熱器27。
首先，在未供給Zn及NH3下，形成n型GaP層12。邊供給Ar氣體邊使成長室22內(nèi)的溫度上升后，使溶液架25滑動，讓GaP外延片3與Ga溶液30接觸。接著，使成長室22內(nèi)逐漸降溫，讓n型GaP層12成長。由于Ga溶液30中溶入從溶液架25溶出的Si，故作為n型摻質(zhì)的Si會自動摻雜于n型GaP層12之中。
當(dāng)n型GaP層12的厚度到達(dá)所期望值后，將由Ar稀釋的NH3氣體導(dǎo)入成長室22內(nèi)。關(guān)于Ga溶液30的周圍氣氛的NH3濃度是依照所期望得到的GaP發(fā)光元件的發(fā)光輸出水準(zhǔn)及主發(fā)光波長來設(shè)定。
接著，邊將由Ar稀釋的NH3氣體供給至爐心管23內(nèi)，邊將成長室22內(nèi)逐漸降溫，使N摻雜n型GaP層13成長。N摻雜n型GaP層13，因Ga溶液30內(nèi)的Si與NH3反應(yīng)消耗Si，所以Si的摻雜量減低，故載體的注入效率高。當(dāng)N摻雜n型GaP層13的厚度達(dá)到所期望值后，停止NH3氣體的供給。
接著，在配置有晶舟28(收容Zn)的摻質(zhì)源收容室21內(nèi)，用副加熱器27升溫使Zn氣化，邊和載體Ar或H2一起供給至成長室22，邊使成長室22逐漸降溫。通過上述過程，使Zn摻雜的n型GaP層14形成于N摻雜n型GaP層13上。
接著，在n型GaP單結(jié)晶基板10側(cè)形成n電極、在p型GaP層14側(cè)形成p電極后，經(jīng)切割，將半導(dǎo)體芯片固定于支持體上，再將引線進(jìn)行引線結(jié)合(Wire Bonding)，經(jīng)樹脂封裝而制得GaP發(fā)光元件。
(實驗例)為確認(rèn)本發(fā)明的效果而進(jìn)行以下的實驗。
首先，將根據(jù)LEC法制作出的GaP單結(jié)晶棒切斷，獲得復(fù)數(shù)個n型GaP單結(jié)晶基板10。在這些n型GaP單結(jié)晶基板10上，于成長容器20內(nèi)以液相磊晶成長法成長出n型GaP緩沖層11，而獲得復(fù)數(shù)個GaP外延片3。之后，以采用滑動晶舟法的液相成長裝置60(參照圖3)，在各GaP外延片3上形成GaP層12、13、14，而制作出多層構(gòu)造的GaP發(fā)光元件1。
測定各GaP發(fā)光元件1之亮度后，將{01-1}裂面以RC液蝕刻，用光學(xué)顯微鏡觀察。并計算出n型GaP緩沖層11上所觀察到的梳齒狀結(jié)晶缺陷的條數(shù)。根據(jù)此結(jié)果，制作出梳齒狀結(jié)晶缺陷的條數(shù)(密度)、與亮度的相關(guān)圖(圖6)。圖4是梳齒狀結(jié)晶缺陷之較少發(fā)生時(16條/100μm)的顯微鏡相片，圖5系梳齒狀結(jié)晶缺陷大量發(fā)生時的顯微鏡相片。
根據(jù)圖6的數(shù)據(jù)可知，若使用梳齒狀結(jié)晶缺陷為30條/100μm以下的GaP外延片，相較于使用其缺陷超過30條/100μm的GaP外延片時的預(yù)想值(圖6的虛線)，發(fā)光元件的亮度(相對值)顯示更高的數(shù)值。
附圖的簡要說明圖1是本發(fā)明的GaP發(fā)光元件之截面示意圖。
圖2是n型GaP緩沖層的形成方法的說明圖。
圖3是含p-n接合的GaP層形成方法的說明圖。
圖4是本發(fā)明的高亮度GaP發(fā)光元件的{01-1}裂面的顯微鏡相片。
圖5是低亮度GaP發(fā)光元件的{01-1}裂面的顯微鏡相片。
圖6是梳齒狀結(jié)晶缺陷的密度與發(fā)光亮度的相關(guān)圖。
標(biāo)號的說明標(biāo)號1表示GaP發(fā)光元件標(biāo)號3表示GaP外延片標(biāo)號10表示n型GaP單結(jié)晶基板標(biāo)號11表示n型GaP緩沖層(結(jié)晶性改善層)標(biāo)號12表示n型GaP層標(biāo)號13表示N摻雜n型GaP層標(biāo)號14表示p型GaP層
權(quán)利要求
1.在n型GaP單結(jié)晶基板之{111}B面上形成的n型GaP層的GaP外延片，其特征在于，在將{01-1}裂面選擇蝕刻后，于n型GaP層處可觀察到的梳齒狀結(jié)晶缺陷的條數(shù)為每100μm的成長界面為30條以下，其中該結(jié)晶缺陷為處于n型GaP層成長界面且與平行面交叉并且延伸的梳齒狀結(jié)晶缺陷。
2.在n型GaP單結(jié)晶基板的{111}B面上，由復(fù)數(shù)個n型GaP層與至少1層的p型GaP層層積而構(gòu)成的GaP發(fā)光元件，其特征在于，在將{01-1}裂面選擇蝕刻后，于復(fù)數(shù)個n型GaP層中與n型GaP單結(jié)晶基板鄰接的結(jié)晶性改善層處可觀察到的梳齒狀結(jié)晶缺陷的條數(shù)為每100μm的成長界面為30條以下，其中該結(jié)晶缺陷為處于結(jié)晶性改善層的成長界面且與平行面交叉并且延伸的梳齒狀結(jié)晶缺陷。
全文摘要
提供可獲得更高亮度的GaP外延片及使用其外延片的GaP發(fā)光元件。本發(fā)明的GaP外延片3是在n型GaP單結(jié)晶基板10的{111}B面形成n型GaP緩沖層11的GaP外延片，將{01－1}裂面選擇蝕刻后于n型GaP緩沖層11處觀測到的梳齒狀結(jié)晶缺陷的條數(shù)，為每100μm的成長界面為30條以下，其中該結(jié)晶缺陷為處于n型GaP緩沖層11成長界面且與平行面交叉并且延伸的梳齒狀結(jié)晶缺陷。使用該GaP外延片3制作出的GaP發(fā)光元件1，具備高亮度。
文檔編號H01L21/02GK1658406SQ20051000752
公開日2005年8月24日 申請日期2005年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月19日
發(fā)明者中村秋夫, 茂木勇, 吉田裕二 申請人:信越半導(dǎo)體株式會社