JP2001036133A

JP2001036133A - エピタキシャルウエハおよび発光ダイオード

Info

Publication number: JP2001036133A
Application number: JP20823999A
Authority: JP
Inventors: Tadashige Sato; 忠重佐藤
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1999-07-22
Filing date: 1999-07-22
Publication date: 2001-02-09

Abstract

(57)【要約】【課題】高光出力のＬＥＤを実現しうる、構成元素と
して少なくともＧａを含むエピタキシャルウエハを提供
すること。【解決手段】構成元素として少なくともＧａを含む化
合物半導体エピタキシャルウエハにおいて、キャリア濃
度が５．５〜３０×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、かつ厚さ１μ
ｍ以上のキャリア濃度一定領域を含むｐ型層を有するこ
とを特徴とするエピタキシャルウエハ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は化合物半導体エピタ
キシャルウエハと発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」）に
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体結晶を構成材料とするＬＥＤは表
示用素子として現在幅広く用いられている。その中でも
III−V族化合物半導体は可視光、赤外光の波長に相当す
るバンドギャップを有するため、発光素子へ応用する際
の利点が大きい。このため、III−V族化合物半導体はＬ
ＥＤのほとんどに材料として利用されており、特にＧａ
ＡｓＰはＬＥＤ用としての需要が極めて大きい。これら
の材料には、ＬＥＤの特性として最も重要な発光出力を
向上させることが要求されている。

【０００３】図２は、ＧａＰ単結晶基板上にＧａＡｓ
_1-xＰ_x（０．４５≦ｘ＜１）のエピタキシャル層を有す
る一般的なエピタキシャルウエハの構造を示したもので
ある。このエピタキシャルウエハは、ｎ型のＧａＰ単結
晶基板２０上に、基板と同一組成のホモ層２４、基板と
最上層の格子定数の差を緩和するために混晶比ｘを連続
的に１．０〜ｘ₀まで変化させたＧａＡｓ_1-xＰ_x組成変
化層２１、ＧａＡｓ_1-x0Ｐ_x0一定組成層２２、窒素
（Ｎ）をドープしたＧａＡｓ_1-x0Ｐ_x0低キャリア濃度一
定組成層２３を順次エピタキシャル成長した構造を有す
る。

【０００４】このエピタキシャルウエハでは、最上層で
ある低キャリア濃度一定組成層２３が発光層となる。一
定組成層２３の組成を変化させるとバンドギャップも変
化するため、組成に応じて赤色から緑色に発光するＬＥ
Ｄを製造することができる。このため一定組成層２３
は、通常はＬＥＤの発光波長に対応する混晶率ｘ₀の組
成を有し、窒素（Ｎ）と、ｎ型のドーパントであるテル
ル（Ｔｅ）又は硫黄（Ｓ）を所定のキャリア濃度になる
ようにドープしている。例えば赤色発光（波長６３０ｎ
ｍ）用としては、ｘ₀は約０．６５である。

【０００５】近年、ＬＥＤの低消費電力化、すなわちよ
り少ない消費電力で高い光出力が得られるＬＥＤを開発
することが求められるようになってきている。これらの
要求に応えるために、エピタキシャルウエハ構造を改良
することによって品質を向上させることが提案されてい
る（特開平６−１９６７５６号公報）。それによると、
発光層となるＮドープ低キャリア濃度一定組成層のキャ
リア濃度を３×１０¹⁵ｃｍ^-3以下にすれば、光出力の向
上と長寿命化が同時に実現できることが明らかにされて
いる。また、発光層の結晶の完全性が破壊されるのを最
小限にとどめ、注入されたキャリアの寿命を長くして高
光出力のＬＥＤを得るためには、キャリア濃度を３．５
〜８．８×１０¹⁵ｃｍ^-3にすれば良いことも明らかにさ
れている（特公昭５８−１５３９号公報）。しかしなが
ら、これらの従来技術により達成しうるＬＥＤの性能よ
りも、さらに一段と優れた性能が求められている。

【０００６】一般に、気相成長により形成された上記の
エピタキシャル層はすべてｎ型であり、その後の加工工
程においてエピタキシャル層表面からＮを拡散によりド
ープした一定組成層に４〜１０μｍ程度の深さまで高濃
度にＺｎを拡散することによりｐ型層を形成している。
しかしながら、このような拡散法ではキャリア濃度の制
御が困難であるため、例えば金属亜鉛原料を用いた場合
は拡散深さを８μｍ以上にしようとすると通常は４×１
０¹⁹ｃｍ^-3以上にドープしなければならない。しかも、
拡散法ではエピタキシャル層表面のキャリア濃度が特に
高くなり、層内部に向かうにしたがってキャリア濃度が
急激に減少する勾配が生じる。ｐ型層のキャリア濃度を
平均的に高めなければ、ＬＥＤ化したときに電流拡がり
が不十分となって光出力の低下を招いてしまう。このた
め、ｐ型層のほとんどは必要最低限の５〜３０×１０¹⁸
ｃｍ^-3程度のキャリア濃度でかつ出来るだけ均一に分布
していることが理想とされている。

【０００７】一方、特開平８−３３５７１５号公報に
は、気相成長法でｐ型層を成長することが記載されてい
る。この方法は、ｐ型層表面の高キャリア濃度ｐ型層を
拡散により形成するため、キャリア濃度が２×１０¹⁹ｃ
ｍ^-3と高くなってしまう。しかも、約５×１０¹⁸ｃｍ^-3
以上のキャリア濃度を一定のキャリア濃度分布を実現で
きる気相成長法で得ることは困難であると記載されてい
る。キャリア濃度が高いことと、拡散による結晶の欠陥
増加により、ｐ型層の光吸収量が大きくなって、光出力
の向上に限界が生じるという問題があった。

【０００８】これを解決するために特開平８−３３５５
５５号公報では、大量のＺｎをガスとして供給するため
に金属Ｚｎをドーピングガスのソースとして用いること
が提案されている。しかし、具体的なキャリア濃度の分
布の様子や、エピタキシャルウエハの構造に付いては記
載されていない。この方法では、金属Ｚｎソース用の温
度制御可能な前室を設けなければならないため、装置が
複雑であるという問題がある。また、Ｚｎが前室と反応
容器の間で析出してＺｎの汚染が発生する問題が生じた
り、得られたｐ型層のエピタキシャル表面が荒れて結晶
性が悪いという問題もあった。このため、結晶欠陥が少
なくて、キャリア濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であるｐ
型層を容易に気相成長法で形成することが求められてき
た。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の従来
技術の問題点を解決することを課題とした。すなわち本
発明は、高光出力のＬＥＤを実現しうる、構成元素とし
て少なくともＧａを含むエピタキシャルウエハを提供す
ることを解決すべき課題とした。また本発明は、該エピ
タキシャルウエハを使用した高光出力のＬＥＤを提供す
ることも解決すべき課題とした。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者は、かかる課題
を解決すべく鋭意検討を進めた結果、結晶欠陥が少なく
て高いキャリア濃度を有するｐ型層を形成したエピタキ
シャルウエハを使用すれば、高光出力のＬＥＤを製造し
うることを見出して、本発明を提供するに至った。

【００１１】すなわち本発明は、構成元素として少なく
ともＧａを含む化合物半導体エピタキシャルウエハにお
いて、キャリア濃度が５．５〜３０×１０¹⁸ｃｍ^-3であ
り、かつ厚さ１μｍ以上のキャリア濃度一定領域を含む
ｐ型層を有することを特徴とするエピタキシャルウエハ
を提供するものである。本発明のエピタキシャルウエハ
は、ｐｎ接合を有しており、かつ該ｐｎ接合を形成する
ｐ型層のキャリア濃度が０．０５〜４×１０¹⁸ｃｍ^-3で
あることが好ましい。また、ｐｎ接合を形成するｎ型層
の低キャリア濃度領域のキャリア濃度は２０×１０¹⁵ｃ
ｍ^-3以下であることが好ましい。本発明は、上記エピタ
キシャルウエハを用いて製造したＬＥＤも提供する。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下において、本発明のエピタキ
シャルウエハ及びＬＥＤの具体的な実施態様を、図１に
基づいて詳細に説明する。本発明のエピタキシャルウエ
ハは、構成元素として少なくともＧａを含む化合物半導
体エピタキシャルウエハである。その特徴は、キャリア
濃度が５．５〜３０×１０¹⁸ｃｍ^-3であるｐ型層を有
し、かつ該ｐ型層内にキャリア濃度が一定であって厚さ
が１μｍ以上であるキャリア濃度一定領域を有する点に
ある。図１は、本発明のエピタキシャルウエハの代表的
な実施態様を示す断面図である。図１のエピタキシャル
ウエハは、単結晶基板１０の上にホモ層１４、組成変化
層１１、一定組成層１２、ｐ型層３０をこの順にエピタ
キシャル成長させたものである。

【００１３】単結晶基板１０の種類は特に制限されるも
のではないが、通常はＧａＰ又はＧａＡｓの何れかが選
択される。ｐｎ接合を形成するｎ型層１３が間接遷移型
のバンドギャップをもつＧａＡｓ_1-xＰ_x（０．４５≦ｘ
＜１）からなる場合は、ＬＥＤの発光色に対して透明で
あり、かつＬＥＤとして高い光出力を得るために、単結
晶基板１０はＧａＰであることが好ましい。単結晶基板
の厚さは好ましくは２００〜７００μｍであり、ＧａＰ
単結晶基板の場合は２２０〜３５０μｍが好ましい。

【００１４】単結晶基板１０の上に形成するホモ層１４
は、単結晶基板１０と同じ結晶からなる。ホモ層１４は
特に形成しなくてもよいが、ミスフィット転位の発生を
抑制して安定な高輝度を得るためには、ホモ層１４を
０．１〜１００μｍ、好ましくは０．５〜１５μｍ形成
するのがよい。

【００１５】その上に形成するエピタキシャル層は、単
結晶基板とは異なる組成を有し、少なくとも構成元素と
してＧａを含む。その組成として例えば、ＧａＡｓＰ、
ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓ等の３元混晶
や、ＧａＰなどの２元混晶を例示することができる。中
でもＧａＡｓＰとＧａＰは需要が大きく、ＧａＡｓＰは
特にＬＥＤを製造した際の効果が大きいため好ましい。
特に、ｐｎ接合がＧａＡｓ_1-xＰ_x（０．４５≦ｘ＜１）
である態様は好ましい。エピタキシャル層を、組成の観
点から見た場合、少なくとも組成変化層１１及び一定組
成層１２を有する図１の態様が一般的である。基板とエ
ピタキシャル層の格子定数の差が大きいため、組成変化
層を用いることでより結晶欠陥の少ない一定組成層を得
ることができる。

【００１６】組成変化層１１は、基板からの距離に応じ
て組成が変化する層である。例えば、単結晶基板１０が
ＧａＰであるときは、組成変化層１１をＧａＡｓ_1-xＰ_x
として基板から遠ざかるにつれて混晶率ｘが１から低下
するように構成することができる。混晶率ｘは０≦ｘ＜
１の間で変化させることができるが、好ましくは０．４
５≦ｘ＜１の間で変化させる。また、単結晶基板１０が
ＧａＡｓであるときは、組成変化層１１をＧａＡｓ_1-m
Ｐ_mとして基板から遠ざかるにつれて混晶率ｍが０から
増加するように構成することができる。このときの混晶
率ｍは０＜ｍ≦１の間で変化させることができるが、好
ましくは０＜ｍ≦０．４５の間で変化させる。

【００１７】組成変化層１１の組成変化は、連続的であ
っても段階的であってもよい。また、組成変化層１１の
組成変化は、逆の組成変化部分を有しない単調増加であ
ることが好ましい。いずれの態様を採用しても、エピタ
キシャル層の比抵抗は主にキャリア濃度で決定されるた
め効果は同じである。組成変化層１１のキャリア濃度
は、０．５〜３０×１０¹⁷ｃｍ^-3であることが好まし
い。特に１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上あることと、３０×１０
¹⁷ｃｍ^-3以下であることが好ましい。中でも、平均で１
〜１０×１０¹⁷ｃｍ^-3であることがＬＥＤ化した時の順
方向電圧を下げ、良好な結晶性が得られる点で特に好ま
しい。キャリア濃度が３０×１０¹⁷ｃｍ^-3を越えると、
結晶性が悪化してエピタキシャル層表面に結晶欠陥が発
生したり、ＬＥＤの光出力の低下を生じる等の問題が生
じやすくなる傾向がある。組成変化層１１の層厚は、好
ましくは２〜１００μｍ、より好ましくは１０〜８０μ
ｍである。

【００１８】組成変化層１１の上には、組成一定層１２
が形成されており、該組成一定層１２の表面がｐｎ接合
を形成していることが好ましい。ｐｎ接合を形成するｎ
型層側が間接遷移型のバンドギャップをもつＧａＡｓ
_1-xＰ_x（０．４５＜ｘ＜１）からなる場合は、ｐｎ接合
のｎ層側は低キャリア濃度領域となる。低キャリア濃度
領域１３は、平均キャリア濃度が２０×１０¹⁵ｃｍ^-3以
下が好ましく、９×１０¹⁵ｃｍ^-3以下がより好ましい。
０．１×１０¹⁵ｃｍ^-3以下になるとキャリア濃度の制御
が困難となったり、比抵抗が高くなってＬＥＤの順方向
電圧の増加を招くことがある。高光出力を得ることがで
き、しかも電気特性を安定化するためには、好ましい平
均キャリア濃度は０．５〜９×１０¹⁵ｃｍ^-3であり、特
に好ましい平均キャリア濃度は０．５〜７×１０¹⁵ｃｍ
^-3である。低キャリア濃度領域１３の厚さは通常は１〜
１００μｍであり、好ましくは１〜５０μｍ、さらに好
ましくは１〜２５μｍである。１００μｍを越えると低
キャリア濃度領域による抵抗の増大で順方向電圧の増加
を招く傾向がある。

【００１９】低キャリア濃度領域１３以外の一定組成層
１２は、組成変化層１１と同じキャリア濃度範囲内に設
定することが好ましい。また、低キャリア濃度領域１３
以外の一定組成層１２の厚さは、３〜５０μｍにするの
が好ましく、成長時間が長くなることによるコスト上昇
を避けるためには５〜２０μｍとすることがより好まし
い。

【００２０】ｐｎ接合１７には少なくともＮがドープさ
れていると光出力が向上するので好ましい。Ｎのドープ
は、ｐｎ接合１７を形成するｐ型層とｎ型層の両側また
はいずれか一方、および低キャリア濃度領域に限定され
るものではない。これら以外のエピタキシャル層のいず
れかの部分にドープされていても、発光はｐｎ接合で生
じるため問題は生じない。一定組成層１２中の組成はミ
スフィット転位等の結晶欠陥をできるだけ抑制するた
め、できる限り一定であることが望ましい。一定組成層
１２の組成の変動は±０．０５以内、好ましくは±０．
０２以内である。

【００２１】本発明のエピタキシャルウエハは、層内の
キャリア濃度が５．５〜３０×１０ ¹⁸ｃｍ^-3であり、か
つ厚さ１μｍ以上のキャリア濃度一定領域を含むｐ型層
を有するものでなければならない。このようなｐ型層
は、キャリア濃度が異なる複数のｐ型層の一つとしてエ
ピタキシャルウエハに含まれていることが好ましい。図
１はそのような好ましい態様を具体化したものであり、
ｐ型層３０は、ｐｎ接合に接する第１ｐ型層３１と、電
流が拡がりかつ良好なオーミック電極を得るために高キ
ャリア濃度にした第２ｐ型層３２から構成されている。
本発明は、第２ｐ型層３２のような高キャリア濃度であ
って結晶欠陥が少ない、すなわち光吸収の少ない良質の
エピタキシャル層を必要とする場合に有効に利用され
る。

【００２２】第２ｐ型層３２の層厚は１〜７０μｍであ
ることが好ましく、２〜３５μｍであることがより好ま
しい。層厚が１μｍ以下だと電流拡がりの効果が小さく
なり光出力が低下する傾向にあり、７０μｍを越えると
光出力の低下を生じる傾向がある。また、第２ｐ型層３
２の一部を構成するキャリア濃度一定領域の厚さは、１
μｍ以上であることが好ましく、３μｍ以上であること
がより好ましい。なお、本明細書において「キャリア濃
度一定領域」とは、領域内におけるキャリア濃度の変動
が±１０％以内、好ましくは５％以内、さらに好ましく
は±３％以内である層状領域をいう。キャリア濃度一定
領域は、第２ｐ型層のどの部分に形成されていてもよい
が、通常は中央部近くに形成される。ｐ型層３０の全層
厚は通常２〜３００μｍあれば良いが、好ましくは２〜
２００μｍ、さらに好ましくは４〜７５μｍあればさら
に高光出力が得られるので好ましい。

【００２３】第２ｐ型層３２のキャリア濃度は５．５〜
３０×１０¹⁸ｃｍ^-3である。キャリア濃度は６〜１４×
１０¹⁸ｃｍ^-3であることが好ましく、さらに６〜９．５
×１０¹⁸ｃｍ^-3のキャリア濃度であれば、最も良好な結
晶性を維持しながら気相成長で安定なｐ型層が得られる
ので特に好ましい。一方、キャリア濃度が３０×１０ ¹⁸
ｃｍ^-3以上になると結晶性が著しく悪くなり、気相成長
法により形成するときは大量のｐ型ドーピングガスが必
要となるため好ましくない。エピタキシャル層内のキャ
リア濃度プロファイルは、エピタキシャル層を斜めに研
磨した後、ショットキーバリアダイオードをその表面に
作製して、Ｃ−Ｖ法によって測定することができる。特
にｐ型層のキャリア濃度プロファイルの測定には、日本
バイオ・ラッド・ラボラトリー社のセミコンダクタ・プ
ロファイル・プロッタＰＮ４３００の様に、直接エピタ
キシャル層を電解液でエッチングしながら測定する方法
が有効である。

【００２４】図１ではｐ型層３０が第１ｐ型層３１と第
２ｐ型層３２の２層からなる構造を示しているが、第１
ｐ型層３１と第２ｐ型層３２の間には任意のキャリア濃
度プロファイルのｐ型層が形成されていても構わない。
第１ｐ型層３１はｐｎ接合１７を形成するためキャリア
濃度が０．０５〜４×１０¹⁸ｃｍ^-3であって、かつ第２
ｐ型層３２よりもキャリア濃度が低いことが好ましい。
この場合の第１ｐ型層３１と第２ｐ型層３２の間のキャ
リア濃度の変化は急峻で有っても階段状であってもよ
く、任意に設定することができる。

【００２５】本発明のエピタキシャルウエハでは、第１
ｐ型層３１とは反対側の第２ｐ型層３２に隣接して他の
層が設けられていてもよい。また、第２ｐ型層３２がエ
ピタキシャル層表面に隣接する場合は、エピタキシャル
層表面から数μｍ、通常は１μｍ以下の部分はキャリア
濃度が粗れや酸化等で変動してしまうのが一般的であ
る。このような経時の変動を受けたエピタキシャルウエ
ハであっても、製造時ないしは出荷時に本発明の要件を
充足していれば本発明の範囲内に包含される。

【００２６】通常は基板はｎ型であるため、第２ｐ型層
３２は第１ｐ型層３１よりもエピタキシャル層表面側に
配置される。なお、ｐ型層３０はｐｎ接合と同じ組成を
もつ一定組成層であることが一般的であるが、ｐｎ接合
部以外の領域では違う組成になっていても構わない。

【００２７】本発明のエピタキシャルウエハを製造する
方法は特に制限されない。エピタキシャル成長法として
は結晶欠陥が少ない良質な結晶が得られることから気相
成長法を用いることが好ましい。中でも、ハロゲン化合
物原料を有する気相成長法を用いることが好ましい。ハ
ロゲン化合物原料としては、例えば塩酸ガス（ＨＣ
ｌ）、三塩化砒素（ＡｓＣｌ₃）等のハロゲン元素を含
む任意の化合物を用いることができる。また、ハイドラ
イド気相成長法により本発明のエピタキシャルウエハを
製造するときには、Ｖ族原料としてＶ族元素の水素化合
物原料を用い、III族原料として金属ＧａとＨＣｌを用
い、金属ＧａはＨＣｌと反応させてＧａＣｌとして反応
容器内に供給する。一方、クロライド気相成長法ではII
I族原料の金属ＧａとＶ族原料の塩化物を原料として、
例えばＧａＡｓ成長の場合には、金属ＧａとＡｓＣｌ₃
を反応させてＧａＣｌとＡｓ₄として反応容器内に供給
する。その他、原料の組み合わせに関わらず、ハロゲン
化合物が原料に含まれていれば同様に処理することがで
きる。量産性があり、高純度の結晶が得られることか
ら、ハイドライド気相成長法を使用することが最も有利
である。

【００２８】ハロゲン化合物がエピタキシャル成長の反
応に含まれると、ｐ型ドーパントがエピタキシャル層中
に高濃度にドープされにくい。ｐ型ドーパントとしては
Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｂｅ等があるが、ＺｎおよびＭｇが
比較的低毒性であるため好ましい。ドーピングガスとし
ては高純度の原料が得られることからＺｎはジメチル亜
鉛（ＣＨ₃）₂Ｚｎ、ジエチル亜鉛（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｚｎなど
の有機金属化合物として使用される。

【００２９】従来はキャリア濃度が５×１０¹⁸ｃｍ^-3以
上にＺｎをドープすることは困難とされてきたが、ＬＥ
Ｄで高光出力が得られ、有害性も少ないことからＺｎを
選択することが特に好ましい。ドーピングガスの供給量
を非常に大きくすることで５〜３０×１０¹⁸ｃｍ^-3以上
にドープすることが可能であることが、研究の結果明ら
かになっている。本発明のエピタキシャルウエハを製造
する際には、低キャリア濃度層の成長、ｐｎ接合の形
成、ｐ型層の成長工程は同じ成長工程で連続的に行うこ
とが、本発明をさらに効果的にするために好ましい。こ
の際、キャリア濃度５．５〜３０×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型
層の形成も前記ｐ型層の工程内に少なくとも含まれる。

【００３０】本発明のエピタキシャルウエハを用いてＬ
ＥＤを製造することができる。本発明のＬＥＤの構成や
製造方法は特に制限されるものではなく、エピタキシャ
ルウエハからＬＥＤを製造する際に用いられる通常の方
法を利用して製造することができる。本発明のＬＥＤの
好ましい一実施態様として、図３に断面図を示すＬＥＤ
を挙げることができる。図３に示すＬＥＤは、本発明の
エピタキシャルウエハのエピタキシャル層側と基板側に
それぞれ電極１８を設けることにより製造される。従来
のエピタキシャルウエハを用いて同型のＬＥＤを製造す
ると、ｐ型層のキャリア濃度が低いために電流がｐｎ接
合１７全体に拡がらず、電極１８の下で主に発光してし
まうために光出力が向上しない。第２ｐ型層３２を有す
る本発明のエピタキシャルウエハを用いればこのような
問題を解消することができ、高出力のＬＥＤを製造する
ことができる。

【００３１】

【実施例】以下に実施例を記載して本発明をさらに具体
的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割
合、操作等は、本発明の精神から逸脱しない限り適宜変
更することができる。したがって、本発明の範囲は以下
に示す具体例に制限されるものではない。なお、以下の
説明では、ガス流量単位として標準状態に換算したＳＣ
ＣＭを用いた。（実施例）ＧａＰ基板および高純度ガリウム（Ｇａ）
を、Ｇａ溜め用石英ボ−ト付きのエピタキシャル・リア
クタ−内の所定の場所に、それぞれ設置した。ＧａＰ基
板として、硫黄（Ｓ）が３〜１０×１０¹⁷原子個／ｃｍ
³添加され、直径５０ｍｍの円形で、（１００）面から
［００１］方向に１０゜偏位した面をもつＧａＰ基板を
用いた。これらを、同時にホルダー上に配置した。ホル
ダーは毎分３回転させた。

【００３２】窒素（Ｎ₂）ガスを該リアクタ−内に１５
分間導入し空気を充分に置換除去した後、キャリヤガス
として高純度水素（Ｈ₂）を９６００ＳＣＣＭ導入し、
Ｎ₂の流れを止めて昇温工程に入った。上記Ｇａ入り石
英ボ−ト設置部分及びＧａＰ単結晶基板設置部分の温度
が、それぞれ８００℃及び９３０℃の一定温度に保持さ
れていることをリアクタ外側に配置した熱電対の測定に
より確認した後、尖頭発光波長６３０±５ｎｍのＧａＡ
ｓ_1-xＰ_xエピタキシャル膜の気相成長を開始した。最
初、濃度５０ｐｐｍに水素ガスで希釈したｎ型不純物で
あるジエチルテルル（（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｔｅ）を１５ＳＣＣ
Ｍ導入し、周期律表第III族元素成分原料としてのＧａ
Ｃｌを、３６９ＳＣＣＭ生成させるため高純度塩化水素
ガス（ＨＣｌ）を上記石英ボ−ト中のＧａ溜に毎分３６
９ｃｃ吹き込み、Ｇａ溜上表面より吹き出させた。ま
た、周期律表第Ｖ族元素成分として、Ｈ₂で濃度１０％
に希釈したりん化水素（ＰＨ₃）を毎分７３７ＳＣＣＭ
導入しつつ、２０分間にわたり、第１層であるＧａＰ層
をＧａＰ単結晶基板上に成長させた。

【００３３】次に、（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｔｅ、ＨＣｌ、ＰＨ₃の
各ガスの導入量を変えること無く、Ｈ₂で濃度１０％に
希釈したひ化水素（ＡｓＨ₃）の導入量を、０ＳＣＣＭ
から４９２ＳＣＣＭまで徐々に増加させ、同時にＧａＰ
基板の温度を９３０℃から８７０℃まで徐々に降温さ
せ、９０分間にわたり、第２層であるＧａＡｓ_1-xＰ_xエ
ピタキシャル層を第１層上に成長させた。次の３０分間
は、（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｔｅ、ＨＣｌ、ＰＨ₃、ＡｓＨ₃の導入
量を、それぞれ１５ＳＣＣＭ，３６９ＳＣＣＭ，８５８
ＳＣＣＭ，４９２ＳＣＣＭで一定に保持しつつ、第３層
であるＧａＡｓ_1-xＰ_xエピタキシャル層を第２層上に成
長させた。

【００３４】次の２０分間は（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｔｅ、ＨＣ
ｌ、ＰＨ₃、ＡｓＨ₃の導入量を変えることなく導入しな
がらこれにＮアイソ・エレクトロニック・トラップ添加
用として２１４ＳＣＣＭの高純度アンモニア・ガス（Ｎ
Ｈ₃）を添加して第４層であるＧａＡｓ_1-xＰ_xエピタキ
シャル層を第３層上に成長させた。次の１０分間は（Ｃ
₂Ｈ₅）₂Ｔｅ、ＨＣｌ、ＰＨ₃、ＡｓＨ₃、ＮＨ₃の導入量
を変えることなく、ｐ型ドーパンントを供給するために
２５℃に一定に保温された（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｚｎ入りのボン
ベにＨ₂ガスを１５ＳＣＣＭ導入して（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｚｎ蒸
気を含ませて、そのＨ₂ガスを導入して、第５層である
ｐ型のＧａＡｓ_1-xＰ _xエピタキシャル層を第４層上に成
長させた。

【００３５】次の４０分間は（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｔｅ、ＨＣ
ｌ、ＰＨ₃の導入量を変えることなく、（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｚｎ
を１２０ＳＣＣＭまで最初に一気に増加させた後に一定
にして、第６層であるｐ型のＧａＡｓ_1-xＰ_xエピタキシ
ャル層を第５層上に成長させて、気相成長を終了した。
第１〜６層の膜厚はそれぞれ４μｍ、３９μｍ、１３μ
ｍ、９μｍ、５μｍ、１５μｍであった。

【００３６】第１〜４層のキャリア濃度を、エピタキシ
ャル層を約１゜斜めに研磨してその表面にショットキー
バリアダイオードを作製して測定した。第１〜３層のキ
ャリア濃度は２〜３×１０¹⁷ｃｍ^-3であった。第４層は
ｎ型であり、そのキャリア濃度は３×１０¹⁵ｃｍ^-3であ
った。なお、第４層のキャリア濃度はＬＥＤ化した後に
直接ｐｎ接合に逆方向電圧を印可してＣＶ測定をして
も、ほぼ同じキャリア濃度が得られた。

【００３７】第５〜６層のｐ型層のキャリア濃度は、日
本バイオ・ラッド・ラボラトリー社のセミコンダクタ・
プロファイル・プロッタＰＮ４３００によって測定し
た。第５層のキャリア濃度は、ｐｎ接合面に隣接する１
μｍを含めて０．７×１０¹⁸ｃｍ^-3であった。第６層の
キャリア濃度は、６×１０¹⁸ｃｍ^-3で一定であった。な
お、ｐ型の第６層を構成する中央６μｍ厚領域はキャリ
ア濃度の変動幅が±３％以下であった。すなわち、第６
層の平均キャリア濃度は第５層の８．６倍であった。続
いて、真空蒸着による電極形成等を行って５００μｍ×
５００μｍ×２８０μｍ（厚さ）の角柱型ＬＥＤを形成
した。エポキシコートなしで測定したところ、５チップ
で光出力は９５で、ピーク波長は６３０±１ｎｍであっ
た。

【００３８】（比較例１）第６層を成長するにあたり
（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｚｎの導入量を６０ＳＣＣＭに固定したこ
と以外は、実施例と同一条件で気相成長を行ってエピタ
キシャルウエハを得た。第１〜５層の膜厚は、それぞれ
５μｍ、３９μｍ、１４μｍ、８μｍ、２４μｍであっ
た。第１〜４層のキャリア濃度を実施例と同様に測定し
たところ、実施例と同じ値が得られた。第５層のｐ型層
のキャリア濃度は、ｐｎ接合面に隣接する１μｍを含め
て０．７×１０¹⁸ｃｍ^-3であった。第６層のｐ型層のキ
ャリア濃度は、３×１０¹⁸ｃｍ^-3で一定であった。なお
ｐ型の第６層を構成する中央６μｍ厚領域のキャリア濃
度の変動幅は±３％以下であった。実施例と同様にＬＥ
Ｄを形成し、エポキシキコートなしで測定したところ、
５チップで光出力は６２で、ピーク波長は６３０±１ｎ
ｍであった。

【００３９】（比較例２）第４層を７０分間成長し、第
５層と第６層を成長しないこと以外は、実施例と同一条
件で気相成長を行ってエピタキシャルウエハを得た。第
１〜４層の膜厚は、それぞれ５μｍ、３８μｍ、１２μ
ｍ、２８μｍであった。第１〜４層のキャリア濃度を実
施例と同様に測定したところ、実施例と同じ値が得られ
た。成長したエピタキシャルウエハに対してＺｎＡｓ₂
を拡散源として７６０°Ｃの温度で表面から４μｍの深
さまでＺｎを拡散して、ｐ型層を形成した。拡散で形成
したｐ型層キャリア濃度は、表面で３．５×１０¹⁹ｃｍ
^-3であった。なおｐ型層のキャリア濃度は表面から急に
減少する勾配であり、どの部分をとっても１μｍ幅で±
１０％を越える変動があった。実施例と同様にＬＥＤを
形成し、エポキシキコートなしで測定したところ、５チ
ップで光出力は４８で、ピーク波長は６３１±１であっ
た。

【００４０】

【発明の効果】本発明のエピタキシャルウエハを用いて
製造したＬＥＤは、特に高い光出力を示す。このため、
本発明はさまざまな分野に広範に応用することが可能で
あり、特にＬＥＤの需要増大に貢献しうるものと期待さ
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のエピタキシャルウェハの層構成例を
示す断面説明図である。

【図２】従来のエピタキシャルウェハの一般的層構成
を示す断面説明図である。

【図３】本発明のＬＥＤの構成例を示す断面説明図で
ある。

【符号の説明】

１０単結晶基板１１組成変化層１２一定組成層１３低キャリア濃度領域１４ホモ層１５高キャリア濃度領域１６エピタキシャル層１７ｐｎ接合１８電極２０ＧａＰ単結晶基板２１ＧａＡｓ_1-xＰ_x組成変化層２２ＧａＡｓ_1-x0Ｐ_x0一定組成層２３ＮドープＧａＡｓ_1-x0Ｐ_x0低キャリア濃度一定組
成層２４ＧａＰホモ層３０ｐ型層３１第１ｐ型層３２第２ｐ型層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】構成元素として少なくともＧａを含む化
合物半導体エピタキシャルウエハにおいて、キャリア濃
度が５．５〜３０×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、かつ厚さ１μ
ｍ以上のキャリア濃度一定領域を含むｐ型層を有するこ
とを特徴とするエピタキシャルウエハ。
【請求項２】ｐｎ接合を有しており、かつ該ｐｎ接合
を形成するｐ型層のキャリア濃度が０．０５〜４×１０
¹⁸ｃｍ^-3であることを特徴とする請求項１のエピタキシ
ャルウエハ。
【請求項３】ｐｎ接合を形成するｎ型層のキャリア濃
度が２０×１０¹⁵ｃｍ^-3以下であることを特徴とする請
求項２のエピタキシャルウエハ。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかのエピタキシャ
ルウエハを用いて製造した発光ダイオード。