CN1347160A - 半导体发光元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

防止p掺杂剂向有源层扩散,抑制非发光中心的形成,实现高辉度化和稳定化。发光二极管具备由用n型和p型的包层12、14把有源层13夹在中间的III－V族化合物半导体构成的双异质结构造部分;直接键合到p型包层14上的p型GaP衬底20;在上述p型包层14与p型GaP衬底20之间形成的由InGaAIP构成的Zn扩散防止层15,Zn扩散防止层15同时掺入p型掺杂剂的Zn和n型掺杂剂的Si,在设Zn、Si的杂质浓度分别为Na、Nd时,满足Na>Nd,且Nd>2×10¹⁷cm^－3。

Description

半导体发光元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及应用晶片直接键合技术的半导体发光元件及其制造方法。

背景技术

近些年来，人们提出了种种使用InGaAlP系材料的可见光区域的发光元件的方案。图6是示出了现有的InGaAlP可见光LED的一个例子的元件构造图。在n型GaAs衬底50的上边，形成用n型和p型包层52、54把有源层58夹在中间的InGaAlP系的双异质结构造部分，在p型包层54上边形成p侧电极57，在n型GaAs衬底50的下表面上设置n侧电极58。

为了进行发光波长的调整和把载流子封闭起来，要形成双异质结构造的各层52～54，必须使能带间隙与设计相对应地进行选择。此外，为进行良好的外延生长，理想的是各层52～54的晶格常数与衬底50的晶格常数匹配。作为III-V族化合物的InGaAlP，由于作为III族成分含有In、Ga、Al这3种成分，故可以采用对这些组分进行选择的办法独立地设计能带间隙和晶格常数。

例如，在用In_x(Ga_1-yAl_y)_1-xP来表示外延生长层的组成时，采用使In组分比x为0.5的办法，就可以使GaAs衬底与晶格常数大体上匹配，采用保持x＝0.5的原样不变而调整Al与Ga的组分比的办法，就可以控制能带间隙。说得更具体点，在要想得到波长644nm的发红色光LED的情况下，只要使有源层53的组分比变成为x＝0.5，y＝0.043，使包层52、54的组分比变成为x＝0.5，y＝0.7即可。此外，在要想得到波长562nm的发绿色光LED的情况下，使有源层53的组分比变成为x＝0.5，y＝0.454，使包层52、54的组分变成为x＝0.5，y＝1.00，即使之变成为InAlP即可。

这样一来，InGaAlP系双异质结构造部分，就可以在可见光区域内选择波长。此外，由于作为化合物半导体衬底可以在最一般性的GaAs衬底上进行晶格匹配的外延生长，故具有易于买到衬底和易于进行外延生长的优点。但是，与此相反，GaAs衬底具有吸收可见光区域的光的缺点。为此，由于在InGaAlP系双异质结构造部分发光的光的一部分被GaAs衬底吸收，故LED的辉度的降低是不可避免的。

要想避免辉度降低，可以把对于可见光区域透明的材料用做衬底。作为一般性的透明材料虽然有GaP，但是GaP衬底由于不能与InGaAlP系取得晶格匹配而难于进行良好的外延生长。为了解决该问题人们提出了使InGaAlP外延生长层与GaAs衬底进行晶片键合的方案。该方案是这样一种方法：先从外延生长层上除去衬底，而代之以紧密贴合上GaAs衬底，边加压力边进行热处理，使之一体化。用该方法虽然可以增加辉度，但是，由于除去了GaAs衬底后的外延生长层很薄，难于加工，而且由于要边加压力边进行加热，需要使用特殊的装置，故在晶片键合工序的稳定性和生产性方面存在着问题。

另一方面，对于晶片键合来说，人们已开发出了一种使具有清洁的表面的晶片彼此间直接键合的被称之为‘直接键合’或‘直接接合’的技术。例如，Si晶片彼此间的直接键合，在1983年申请专利的特许第1420109号等中进行了论述，化合物半导体晶片的直接键合，则在1985年申请专利的特许第2040637号等中进行了论述。

下边说明具备利用这样的直接键合技术，紧密地键合到GaAs衬底上的InGaAlP系外延生长层的LED制造方法的一个例子。首先，如图7(a)所示，在n型GaAs衬底50的上边，生长n型电流扩散层51，n型包层52，有源层53，键合层54，和键合层55。接着，如图7(b)所示，把生长有1×10¹⁸cm^-3这种程度的高浓度的GaP层61的GaP衬底直接键合到键合层55的表面上。

然后，如图7(c)所示，在借助于研磨或刻蚀等除去了GaAs衬底之后，采用上下颠倒过来，在n型GaAs衬底60的下面一侧形成p侧电极，在n型扩散层51的上表面上设置n侧电极57的办法，就可以得到以GaAs为衬底的InGaAlP系LED。

这样制作的应用键合技术的高辉度的LED的发光效率，具有不使用键合技术的现有型的LED的大约2倍的辉度。与此相反，已经判明键合型的高辉度LED与现有型的LED比较，具有芯片的辉度对于每一种产品波动性大的问题。以下说明其理由。

图7的LED的构造是：在p型的衬底上边，依次叠层上有源层53、n型包层52、n型电流扩散层51的n叠层构造。在把Zn用做p型的掺杂剂的情况下，在从有源层53到衬底60为止的所有的层中都含有Zn，特别是p型GaP衬底60，为了减少LED的串联电阻也有时候使用1×10¹⁸cm^-3以上的高浓度的衬底。含于该p型的GaP衬底60或InGaAlP外延生长层中的Zn，在直接键合后的热处理工序中，将扩散到有源层53中去。扩散到有源层53内的Zn在有源层53内形成杂质能级。由于该杂质能级对于电流注入的载流子起着非发光中心的作用，故已扩散到有源层53内Zn越多则非发光中心的密度就会变得越大，所注入的载流子就会不进行发光复合地消灭净尽。作为其结果，LED的芯片的辉度大为降低。

这一事实，已在例如(Jpn，J.Appl.Phys Vol.33(1994)pp.L857～L.859”Effect of Substrate Microirentation and Zn Characterisitions onPerfomance of AlGaInP VissibIe Light Emitting Diode”，或Solid StateElectron Vo1.38，No.2，pp.304～pp.308，1995”AlGaInP ORANGE LIGHTEMITTING DIODES GROWN ON MISORINTED P-GaAsSUBSTRATES”)等中详细地进行了论述。扩散到该有源层中的Zn的量，决定于热处理温度和时间、和作为扩散源的Zn的量。其中，热处理温度和时间是可控的。实际的热处理的保持温度为从700度到770度，保持时间为1个小时。

因此，要想控制扩散到有源层53中的Zn的量，就必须使GaP衬底60、外延层的Zn浓度保持恒定。特别是GaP衬底60与p型包层54、键合层55等的p型外延层比较起来，厚度和载流子浓度也大。因此，为了抑制扩散到有源层中去的Zn以抑制芯片的辉度变动，GaP衬底的低载流子浓度化、稳定化，可以期待大的效果。但是，使用低浓度且稳定的p型GaP衬底，不仅将导致芯片的串联电阻增加，还将成为衬底价格增加的因素。

发明内容

如上所述，以往采用把GaP衬底直接键合到InGaAlP系的双异质结构造部分上的办法来求得作为LED的高辉度化，但若使用这样的构成，则存在着作为GaP衬底的p掺杂剂的Zn一直扩散到有源层，形成非发光中心从而招致辉度降低的问题。

本发明就是考虑到上述情况而发明的，目的在于提供一种可以防止p掺杂剂从衬底向有源层扩散，抑制发光中心的形成，实现进一步的高辉度化和稳定化的半导体发光元件及其制造方法。

(构成)

为解决上述课题，本发明采用如下的构成。

即，本发明是一种具备用n型和p型包层把作为发光层的有源层夹在中间的III-V族化合物半导体构成的双异质结构造部分，和对于来自上述发光层的发射光透明的材料构成且直接键合到上述双异质结构造部分的p型包层的衬底的半导体发光元件，其特征是在上述p型包层与衬底之间或在上述p型包层的一部分上形成Zn扩散防止层。

在这里，作为本发明的理想的实施例举出下述形态。

(1)双异质结构造部分由InGaAlP系材料构成，衬底为p型GaP。

(2)Zn扩散防止层，同时掺入p型掺杂剂的Zn和n型掺杂剂的Si，在设Zn、Si的杂质浓度分别为Na、Nd时，满足Na＞Nd，且Nd＞2×10¹⁷cm^-3的条件。

(3)Zn扩散防止层的组分为In_0.5(Ga_1-xAl_x)_0.5P，而且0＜x＜1。

此外，应用晶片直接键合技术的半导体发光元件的制造方法中，本发明的特征是具备下述工序：在第1衬底上边形成由依次叠层n型包层、作为发光层的有源层和p型包层的HI-V族化合物半导体构成的双异质结构造部分的工序；在上述双异质结构造部分的p型包层上边，形成Zn扩散防止层的工序；把对于来自上述发光层的发射光透明的第2衬底直接键合到上述Zn扩散防止层上边的工序；除去上述第1衬底的工序。

其中，在双异质结构造部分由InGaAlP系材料构成的情况下，理想的是作为第1衬底，使用对InGaAlP系材料晶格匹配的GaAs，作为第2衬底使用p型GaP。

(作用)

就如在背景技术中所说明的那样，在使用晶片的直接键合技术的高辉度LED的情况下，由Zn扩散引起的发光效率的降低，主要在高温处理的工艺中发生。热处理中的Zn扩散源被认为是p包层、键合层和GaP衬底，而且被认为来自载流子浓度大且厚的GaP衬底的Zn扩散的影响特别大。因此，要想防止由热处理引起的发光效率的降低，就必须抑制来自GaP衬底的Zn扩散。为抑制来自GaP衬底的Zn扩散，虽然可以键合低浓度的GaP衬底，但是，具有当形状或衬底的载流子浓度下降时芯片的电阻会变大的缺点。

对此，在本发明的情况下，采用在包层与衬底之间设置Zn防止层的办法解决了该问题。即，对于把透明衬底键合到双异质结构造部分上的发光元件的构造来说，采用在包层与衬底之间设置Zn扩散防止层的办法，就可以防止Zn从透明衬底向有源层的扩散。为此，就可以抑制在有源层中非发光中心的形成。此外，由于可以防止Zn向有源层内的扩散，故可以使透明衬底中的Zn浓度充分地高，使得还可以降低芯片的串联电阻。借助于此，可以谋求更进一步的高辉度化和稳定化。

附图说明

图1的剖面图示出了本发明的一个实施例的LED的元件构造。

图2的剖面图示出了本发明的一个实施例的LED的制造工序。

图3示出了有源层中的Zn扩散量与寿命之间的关系。

图4示出了Zn扩散防止层中的Si浓度与Zn向有源层的扩散量之间的关系。

图5的模式图对本发明和现有例进行比较地示出了键合型LED的杂质分布。

图6的剖面图示出了现有的LED的元件构造。

图7的剖面图示出了现有的键合型LED的制造工序。

具体实施方式

以下，用图示的实施例说明本发明的详细情况。

图1的剖面图示出了本发明的一个实施例的键合型LED的元件构造。

在p型GaP衬底20上边，形成高浓度的p型GaP缓冲层21，在其上边直接键合使p型InGaP键合层16，由p型InGaAlP构成的Zn扩散防止层15，p型InGaAlP包层14，InGaAlP有源层13，n型InGaAlP包层12，n型GaAs电流扩散层11进行叠层的叠层构造体。然后，在GaP衬底20的下表面上，形成p侧电极28，在电流扩散层11的上表面上形成n侧电极17。

另外，在上述各层12、13、14中还形成对发光作出贡献的双异质结构造部分。在双异质结构造部分内，载流子因复合而发光的是有源层13。在有源层13的上下形成的包层12、14，为了把载流子封闭起来提高发光效率，具有比有源层13还宽的能带间隙。此外，双异质结构造部分的各层12、13、14，为了调整发光波长和把载流子封闭起来，必须与设计相对应地优选能带间隙。

其次，参看图2说明上述构造的键合型LED的制造方法。

首先，如图2(a)所示，在在n型GaAs衬底(第1衬底)10上边外延生长了n型GaAs电流扩散层11之后，外延生长n型InGaAlP包层12、InGaAlP有源层13、p型InGaAlP包层14形成双异质结构造部分。然后，在p型包层14上边，外延生长p型Zn扩散防止层15、键合层16。

在这里，为了进行良好的外延生长，理想的是构成双异质结构造部分的各层12、13、14的晶格常数与GaAs衬底10的晶格常数匹配。作为III-V族化合物的InGaAlP，作为III族成分含有In、Ga、Al这3种，采用对他们的组分比进行选择的办法，就可以独立地设计能带间隙和晶格常数。

另一方面，如图2(b)所示，与上述衬底分开来另外准备p型GaP衬底(第2衬底)20，在其表面上生长1×10¹⁸cm^-3这种程度的高浓度的n型GaP缓冲层21。然后，如图2(c)所示，直接键合图2(a)所示的衬底和图2(b)所示的衬底。在进行该直接键合之际，要预先清洗好键合层16的表面和GaP缓冲层21的表面。在高温下进行热处理，提高键合强度。

在这里，晶片的直接键合技术，是一种使表面已变成为镜面的2块衬底，在实质上不存在异物的气氛内，在室温下靠自己的力量进行键合而一体化的技术。由于在热处理前就已经全面紧密贴合，故可以进行全面接合而不会剩下未键合部分，此外，在热处理中也不需要加压力，故具有不需要特殊的装置和器具的优点。

Si晶片彼此间的直接键合的机构，被认为如下所述。即，首先，借助于清洗或水洗，在晶片表面上形成OH基。于是，当使晶片彼此接触时，OH彼此间就借助于氢键互相拉住，在室温下晶片紧密粘着。紧密粘着力很强，在通常晶片挠屈的情况下，要进行矫正后再进行全面紧密贴合。在热处理中，在超过100℃的温度下，会发生脱水缩合反应(Si-OH∶ )，通过氧原子使晶片彼此间进行结合提高键合强度。若温度进一步升高，则将发生键合界面附近的原子的扩散和重新排列，在强度方面和电学方面使晶片一体化。本实施例的那样的III-V族化合物半导体的键合机构也可以认为是与此同样的。

接着，借助于研磨或刻蚀，除去GaAs衬底10。然后，采用使上下颠倒过来，在n型电流扩散层11的上表面上设置n侧电极17，在GaAs衬底20的下表面上设置p侧电极28的办法，完成上述图1所示的那种以GaP为衬底的InGaAlP系LED。

本实施例的构造与上述图7所示的现有构造的不同之处是，在InGaP键合层16与p型包层14之间设置Zn扩散防止层15这一点。该Zn扩散防止层15的特征在下边讲述。

本实施例的Zn扩散防止层15，同时掺入p型掺杂剂的Zn和n型掺杂剂的Si，在设Zn、Si的杂质浓度分别为Na、Nd时，使得满足Na＞Nd，且Nd＞2×10¹⁷cm^-3的条件。

本发明人等，在高辉度LED的开发中，在对由Zn向有源层的扩散引起的芯片的辉度降低问题进行研究的结果，发现从p型包层向有源层扩散的Zn，并不向n型包层扩散，而是储存在n型包层和有源层界面上的事实。就是说，在整个InGaAlP中进行扩散的Zn，不可能超过进行了Si掺杂的InGaAlP层进行扩散。其理由虽然还没有弄明白，但是人们推测大概是出于以下的理由。

由于已扩散到有源层中的Zn的量和由CV测定等测定的载流子浓度很好地一致，可以认为Zn原子，在InGaAlP中，边与不存在III族原子的格点(空位)进行位置交换边进行移动，即边进行扩散。但是，当格点已被作为n型掺杂剂的Si占据时，由于在Zn原子的周围不存在应进行位置交换的对手的格点，故不可能改变其位置。即，当在InGaAlP层中充分地掺杂有Si时，就可以防止Zn的扩散。

于是，本发明人等，对在由InGaAlP构成的Zn扩散防止层中为防止Zn扩散所需要的Si的浓度的规定进行了研究。首先，非发光寿命与Zn扩散量之间的关系，如图3所示。所谓非发光寿命，是表示有源层的结晶性良好的指标，寿命越大有源层的结晶性越好。对扩散到有源层中的Zn与寿命之间的关系进行研究的结果，得知当Zn扩散到有源层中10¹²个以上时，寿命将减小。就是说，有源层将劣化。

另一方面，图4示出了使掺杂到Zn扩散防止层中的Si浓度变动，对扩散到有源层中的Zn的量进行评价的结果。Si浓度、Zn扩散量的定量化使用SIMS(二次离子质谱仪)。键合好的GaP衬底的载流子浓度为1×10¹⁸～2×10¹⁸cm^-3。该结果确认如果Si浓度变成为2×10¹⁷cm^-3以上，则虽然可以把Zn向有源层的扩散量抑制到1×10¹²个以内，但当Si浓度为1×10¹⁷cm^-3以下时则扩散量将大到1×10¹³个以上。因此得到了这样的结论：要想防止Zn向有源层内的扩散，Zn扩散防止层的Si浓度必须在2×10¹⁷cm^-3以上。

如在背景技术中所述的那样，键合上p型GaP衬底的键合晶片的热处理所引起的有源层的劣化，主要原因是由从GaP衬底扩散过来的Zn导致的非发光中心化。为了防止Zn从该GaP向有源层的扩散，由上述的研究结果可知：只要在GaP衬底与有源层之间形成含有2×10¹⁷cm^-3以上的Si的InGaAlP层即可。但是，由于导电类型是P型，故必须同时掺进Si浓度以上的Zn。

在图1的构成中，在形成含有2×10¹⁷cm^-3以上的Si的层的地方，虽然可以考虑(1)有源层/p包层界面，(2)p包层/键合层界面，(3)向键合层中掺入Si这3点，但是，由于(1)的有源层/p包层界面接近有源层，故掺进去的Si有可能因非发光中心化而使有源层结晶性劣化。此外，(3)的向键合层内掺进Si的方法，存在着键合层的载流子浓度降低，键合界面电阻增大的问题。因此，不对芯片特性产生不良影响地掺Si的层最好是p包层/键合层界面。但是，可以采用向p包层的一部分内而不是向p包层和键合界面掺进Si的办法来实现防止来自衬底的Zn扩散的目的这一点是显而易见的。

本发明的Zn扩散防止层的一大特征是一起掺杂Zn和Si这一点。对于膜的组成来说，虽然可以使用不吸收PL光的InGaAlP，但是，当考虑表面构造、电阻率时，理想的是使用Al的组分比尽可能小的InGaAlP。至于膜厚，只要满足防止Zn扩散的目的，即便很薄也没有关系，但是理想的是在0.1微米以上，以使得可以均一地进行Si掺杂。

使本发明的掺杂剂分布与现有例进行比较。图5(a)示出了使用键合技术的现有的LED的掺杂剂分布的模式图，图5(b)示出了本发明的导入Zn扩散防止层的LED的掺杂剂分布的模式图。在现有的LED的情况下，归因于浓度梯度在热处理中Zn从高浓度的GaP衬底向有源层扩散。本发明的LED，由于Zn扩散防止层防止来自衬底的Zn扩散，向有源层中的Zn扩散只有来自p包层的扩散部分，所以与现有的LED比较可以减少向有源层中的Zn扩散，结果是可以稳定地得到高辉度的LED。

这样一来，在本实施例的情况下，由于在InGaAlP系双异质结构造部分的P型包层14和与之直接键合的p型GaP衬底20之间，设置由InGaAlP构成的Zn扩散防止层15，并把该Zn扩散防止层15中的Si的杂质浓度Nd设定在2×10¹⁷cm^-3以上，把Zn的杂质浓度Na设定在Nd以上，故在Zn扩散防止层15内可以确实地阻挡来自p型GaP衬底20的Zn的扩散。因此，可以在使用高浓度的P型GaP衬底20的同时，抑制在有源层13中的非发光中心的形成，可以实现进一步的高辉度化和稳定化。

另外，本发明并不受限于上边所说的实施例，构成双异质结构造的半导体不限于InGaAlP系，可以使用各种的III-V族化合物半导体。此外，键合到双异质结构造部分上的衬底不限于GaP，只要是对于有源层中的发光透明的材料而且借助于杂质的掺杂可以实现充分的低电阻化的衬底即可。此外n型掺杂剂并非限于Si不可，也可以使用Te或S。

此外，虽然在实施例中说明的是发光二极管，但本发明对于半导体激光器也可以适用。除此之外，在不偏离本发明的要旨的范围内，可以进行种种变形实施。

如上所述，倘采用本发明，在把双异质结构造部分和透明衬底直接键合起来的发光元件构造中，采用在双异质结构造部分与衬底之间设置Zn扩散防止层的办法，可以防止P掺杂剂从衬底向有源层的扩散，抑制非发光中心的形成，实现进一步的高辉度化和稳定化。借助于此，可以稳定地生产高辉度的发光元件。

Claims (6)

1.一种半导体发光元件，其特征是：具备由用n型和p型的包层把将成为发光层的有源层夹在中间的III-V族化合物半导体构成的双异质结构造部分；由对于来自上述发光层的发射光透明的材料构成且直接键合到上述双异质结构造部分的p型包层一侧上的衬底；在上述p型包层与衬底之间或上述p型包层的一部分内形成的Zn扩散防止层。

2.权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是：上述双异质结构造部分由InGaAlP构成，上述衬底是P型GaP。

3.权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是：上述Zn扩散防止层，同时掺入p型掺杂剂的Zn和n型掺杂剂的Si，在设Zn、Si的杂质浓度分别为Na、Nd时，满足Na＞Nd，且Nd＞2×10¹⁷cm^-3的条件。

4.权利要求1所述的半导体发光元件，其特征是：上述Zn扩散防止层的组成是In_0.5(Ga_1-xAl_x)_0.5P，而且0＜x＜1。

5.一种半导体发光元件的制造方法，其特征是具备下述工序：在第1衬底上边形成由依次叠层n型包层、作为发光层的有源层和p型包层的III-V族化合物半导体构成的双异质结构造部分的工序；在上述双异质结构造部分的p型包层上边，形成Zn扩散防止层的工序；把对于来自上述发光层的发射光透明的第2衬底直接键合到上述Zn扩散防止层上边的工序；除去上述第1衬底的工序。

6.权利要求5所述的半导体发光元件的制造方法，其特征是：双异质结构造部分由InGaAlP系材料构成，作为第1衬底，使用对InGaAlP系材料晶格匹配的GaAs，作为第2衬底使用p型GaP。

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