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JP3356041B2 - リン化ガリウム緑色発光素子 - Google Patents

リン化ガリウム緑色発光素子

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JP3356041B2
JP3356041B2 JP35536397A JP35536397A JP3356041B2 JP 3356041 B2 JP3356041 B2 JP 3356041B2 JP 35536397 A JP35536397 A JP 35536397A JP 35536397 A JP35536397 A JP 35536397A JP 3356041 B2 JP3356041 B2 JP 3356041B2
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Japan
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gap
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light emitting
type
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JP35536397A
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JPH10294489A (ja
Inventor
敦 吉永
孝一 長谷川
Original Assignee
昭和電工株式会社
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Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=27287591&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=JP3356041(B2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by 昭和電工株式会社 filed Critical 昭和電工株式会社
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Priority to TW087100787A priority patent/TW409433B/zh
Priority to TW088115806A priority patent/TW494587B/zh
Priority to KR1019980004708A priority patent/KR100296094B1/ko
Priority to US09/024,558 priority patent/US6144044A/en
Priority to DE19806536A priority patent/DE19806536A1/de
Priority to CNB98106924XA priority patent/CN1134075C/zh
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Publication of JP3356041B2 publication Critical patent/JP3356041B2/ja
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    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10HINORGANIC LIGHT-EMITTING SEMICONDUCTOR DEVICES HAVING POTENTIAL BARRIERS
    • H10H20/00Individual inorganic light-emitting semiconductor devices having potential barriers, e.g. light-emitting diodes [LED]
    • H10H20/80Constructional details
    • H10H20/81Bodies
    • H10H20/822Materials of the light-emitting regions
    • H10H20/824Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP
    • H10H20/8242Materials of the light-emitting regions comprising only Group III-V materials, e.g. GaP characterised by the dopants
    • HELECTRICITY
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    • H10H20/817Bodies characterised by the crystal structures or orientations, e.g. polycrystalline, amorphous or porous

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はリン化ガリウム(G
aP)緑色発光素子に係わり、特に電気特性の改良され
た、および/または高輝度を得るために改良されたGa
P緑色発光ダイオードに関する。
【0002】
【従来の技術】緑色発光するGaP発光ダイオードは、
現在様々な表示装置等に広く用いられている。また、近
年GaP緑色発光ダイオードの進歩は目覚ましく、年々
高輝度のものが開発されている。そして、そのような高
輝度化に伴いGaP緑色発光ダイオードの応用範囲は極
めて広範囲にわたるに至ったが、その応用範囲の一層の
拡大を図るためには、さらなる高輝度発光ダイオードの
開発が望まれている。また、市場の需要を満たし安価な
GaP緑色発光ダイオードを安定して供給するために、
特性不良が発生する割合を極力低減させた構造の発光ダ
イオードの開発が望まれている。
【0003】従来用いられているGaP緑色発光ダイオ
ードの一般的な構造を図2(a)に示す。図2(a)に
おいて11はn型GaP単結晶基板、12は窒素(N)
をドープしないn型GaP層(n1層)、13は窒素を
ドープしたn型GaP層(n2層)、14はp型GaP
層である。また、15はp電極、16はn電極である。
【0004】図2(a)に示したGaP緑色発光ダイオ
ードにおいて、n型GaP単結晶基板11は、液体封止
チョクラルスキー法で製造され、S、Te、Si等のn
型ドーパントが添加されて、およそ1〜20×1017
-3のドナー濃度を有しているものが一般に用いられ
る。
【0005】また、GaP層12、13、14は、通
常、液相エピタキシャル成長法(LPE法)により積層
される。窒素(N)をドープしないn型GaP層(n1
層)12は、通常n型ドーパントとしてSiが添加され
て、およそ0.5〜10×1017cm-3のドナー濃度を
有するものとなっている。n1層12は、基板の結晶欠
陥が発光層である窒素をドープしたn型GaP層13の
結晶性に悪影響を及ぼすのを緩和する目的で設けられ
る。窒素をドープしたn型GaP層(n2層)13は、
発光層となる。GaP緑色発光ダイオードの輝度を高く
するためには、このn2層13のドナー濃度は低くする
ことが望ましいため、およそ1〜5×1016cm-3のド
ナー濃度に設定されるのが普通である。n2層13の主
なn型ドーパントは通常Siである。また、n2層13
には、液相エピタキシャル成長の過程で系にアンモニア
ガスを供給することにより、2×1018cm-3程度の窒
素が添加される。p型GaP層14は、Zn等のp型ド
ーパントが添加され、およそ5〜20×1017cm-3
アクセプタ濃度に設定されるのが普通である。またp型
GaP層14は、通常n2層13に引き続き積層される
ため、2×1018cm-3程度の窒素が添加されている。
【0006】上記の構造のGaP緑色発光ダイオードに
おける代表的な不純物濃度の分布を図2(b)に示し
た。なお、上記のようなGaP緑色発光ダイオードの構
成は、例えば特公昭57−54951に開示されてい
る。
【0007】GaP緑色発光ダイオードは、n型GaP
単結晶基板上にLPE法により上記のようなGaPエピ
タキシャル層を積層した後、該エピタキシャルウエハの
n型面とp型面にそれぞれ、AuGeまたはAuSi、
AuBeまたはAuZnのAu合金を蒸着し、熱処理を
施し、写真蝕刻によって図2(a)に示したp電極1
5、n電極16を形成し、その後素子に分離することに
より得られる。
【0008】上述のようなGaP緑色発光ダイオードに
おいて、高輝度を得るために窒素をドープしたn型Ga
P層のドナー濃度を低くする必要がある理由としては、
特公昭57−54951には、n型GaP層中のドナー
濃度と窒素原子濃度との間に逆相関があり、ドナー濃度
を下げることによりn型GaP層中の窒素原子濃度を高
くすることができるためであると説明されている。すな
わち、GaP緑色発光ダイオードにおいては、GaP層
中の窒素が発光中心として働く。また、GaP緑色発光
ダイオードにおいて、発光層はn2層である。そのた
め、発光層であるn2層中のドナー濃度を低くし窒素原
子の濃度を高くすることにより、発光ダイオードの輝度
を高くすることができるのである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、特性不
良、特に電気特性の不良が発生する割合を極力低減させ
た構造のGaP緑色発光ダイオードを開発するために、
様々な試験、検討を行ってきた。従来のGaP緑色発光
ダイオードで問題になっていた電気特性の不良のひとつ
に、サイリスタの発生がある。すなわち従来は、LPE
法で製造したGaP緑色発光ダイオードにある割合で何
らかの原因によりpnpn構造(サイリスタ構造)が生
じ、電気特性において負性抵抗を示すようになるため不
良となっていた。
【0010】本発明者らは、LPE法により製造された
GaP緑色発光ダイオードにある割合でサイリスタが発
生する原因の解明を行った。まず、サイリスタとなった
素子の構造について解析を行った。その結果、サイリス
タとなった素子の構造は図3(a)のようになってい
た。図3(a)において、31、32、33、34、3
5、36は、それぞれ図2(a)の11、12、13、
14、15、16に対応する部分である。図3(a)に
示したサイリスタとなった素子は、窒素(N)をドープ
しないn型GaP層(n1層)32と窒素をドープした
n型GaP層(n2層)33の界面付近のn2層の部分
にp型GaP反転層37が形成されている点が、図2
(a)に示した通常のGaP緑色発光ダイオードと相違
していた。この結果から、サイリスタとなった素子がp
npn構造となっていることがわかる。
【0011】次に本発明者らは、p型GaP反転層37
が形成される原因を解析するため、二次イオン質量分析
(SIMS)によりサイリスタとなった素子の深さ方向
の不純物濃度分布を調べた。サイリスタとなった素子の
不純物濃度の代表的な分布は図3(b)のようになって
いた。すなわち、p型GaP反転層37では、アクセプ
ター不純物である炭素(C)の濃度がドナー不純物であ
るシリコン(Si)の濃度より過剰となっていた。この
結果から、サイリスタとなった素子においては、n1層
とn2層との界面付近のn2層の部分で炭素(C)濃度
がシリコン(Si)濃度より過剰になる結果、p型Ga
P反転層が形成され、pnpn構造となることが判明し
た。
【0012】GaP緑色発光ダイオードの輝度を向上さ
せるために、n2層のドナー濃度は通常n1層と比較し
て低く設定される。また、n2層の主なドナー不純物で
あるSiの偏析係数は負の温度依存性があるため、Ga
Pエピタキシャル層中に含まれるSiの濃度は高温で成
長した部分で低くなり、低温で成長した部分で高くな
る。そのため、n2層内でもSi不純物濃度はn1層と
の界面近傍では低く、またp型GaP層との界面近傍で
は高くなる。通常のGaP緑色発光素子では、n2層の
ドナー不純物濃度は、n1層との界面近傍で1〜3×1
16cm-3程度であり、p型GaP層との界面近傍では
2〜5×1016cm-3程度である。そのため、従来のよ
うにGaP層内にバックグラウンドレベルとして8〜2
0×1015cm-3程度の炭素が含まれる場合、n2層内
のn1層との界面近傍でp反転層が形成される場合があ
り、その結果サイリスタが発生していた。
【0013】本発明は、サイリスタによる電気特性の不
良が発生する割合を極力低減させた構造のGaP緑色発
光ダイオードを提供することを第1の目的とする。
【0014】また本発明者らは、GaP緑色発光ダイオ
ードに対する更なる高輝度化の要求に答えるため、様々
な試験、検討を行ってきた。従来ドナー濃度が1×10
16cm-3以上の領域では、発光層であるn2層のドナー
濃度と発光ダイオードの輝度との間には相関があり、n
2層中のドナー濃度を下げることにより発光ダイオード
の高輝度化が果たせることがわかっていた。
【0015】窒素を添加したn型GaP層のドナー濃度
を下げる手段としては、従来は該層にドナー不純物を故
意に添加しない方法が用いられていた。n2層にドナー
不純物を故意に添加しない場合、該層のドナー濃度は主
に、(1)基板からエピタキシャル成長用のGa溶液中
に溶け出したドナー不純物、(2)エピタキシャル成長
炉の反応管である石英ガラス(SiO2 )がH2 ガスに
より還元されて生成し、Ga溶液中に混入したSi、の
量によって決まる。
【0016】反応管である石英ガラスがH2 ガスに還元
されてGa溶液中に混入したSiは、n2層の成長の際
には、窒素とシリコンの反応によりSi34 を形成
し、大部分がGa溶液より除外される。そのため、n2
層中に取り込まれるSiの濃度はおよそ1〜2×1016
cm-3となる。また、基板のn型ドーパントがイオウ
(S)の場合、基板から溶け出したSによるn2層中の
Sの濃度はおよそ1〜3×1016cm-3となる。
【0017】従来は一般に、基板から溶け出すSがn2
層のドナー濃度を下げられない主な要因であった。その
ため、特開平6−120561には、基板とn1層との
間にTe等をドーパントとするn型GaPバッファ層を
積層し、該バッファ層中のSの濃度を下げることによ
り、基板からn2層に混入するSの量を極力減少させる
方法が記載されている。このようにして得られたGaP
緑色発光ダイオードでは、窒素をドープしたn型GaP
層の主要なドナー不純物はSiであり、その濃度は1〜
2×1016cm-3程度である。また、このようにして得
られたGaP緑色発光ダイオードのn2層中にはSがお
よそ1×1016cm-3程度含まれていた。
【0018】本発明者らは、GaP緑色発光ダイオード
を高輝度化するため、更なる検討を行った。その結果、
本発明者らは、特開平6−120561に記載された方
法により窒素をドープしたn型GaP層中のS濃度を下
げることにより、窒素をドープしたn型GaP層中にS
iとSが共に存在するが、Siが主なドナー不純物とな
っている場合でも、該層中のSが発光ダイオードの輝度
に影響を与えていることを見出した。すなわち、窒素を
ドープしたn型GaP層中にSiが1〜2×1016cm
-3程度存在し、これに対して、該層中にSが1×1016
cm-3程度存在するような場合でも、Sの濃度によって
GaP緑色発光素子の輝度が変化し、S濃度が低いほど
輝度が向上することを見出した。
【0019】本発明は、GaP緑色発光素子において、
S不純物が窒素を添加したn型GaP層(n2層)に混
入するのを防止し、S不純物濃度が6×1015cm-3
下に制御されたn2層を得ることにより、n2層中のS
濃度が1×1016cm-3以下の領域でn2層中のS濃度
と発光ダイオードの輝度との相関を明確にし、輝度の向
上したGaP緑色発光素子を提供することを第2の目的
とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】本発明は、n型GaP単
結晶基板上に、少なくとも、窒素(N)をドープしない
n型GaP層、窒素をドープしたn型GaP層およびp
型GaP層が順次積層されてなるリン化ガリウム(Ga
P)緑色発光素子において、窒素をドープしたn型Ga
P層中の炭素(C)濃度が6×1015cm-3以下である
ことを特徴とする。また本発明は、n型GaP単結晶基
板上に、少なくとも、窒素(N)をドープしないn型G
aP層、窒素をドープしたn型GaP層およびp型Ga
P層が順次積層されてなるリン化ガリウム(GaP)緑
色発光素子において、窒素をドープしたn型GaP層中
のイオウ(S)濃度が6×1015cm-3以下であること
を特徴とする。また本発明は、上記のリン化ガリウム緑
色発光素子において、窒素をドープしたn型GaP層中
の炭素(C)濃度が6×1015cm-3以下であり、かつ
イオウ(S)濃度が6×1015cm-3以下であることを
特徴とする。また、本発明の実施に当たっては、窒素を
ドープしたn型GaP層中のSi濃度は1〜2×1016
cm-3であることが望ましい。
【0021】
【発明の実施の形態】第1の目的を達成するために、本
発明者らはn2層に混入する炭素の混入源の解明を行っ
た。炭素の混入源としては、エピタキシャル成長装置の
材料である黒鉛や原材料中に不純物として含まれる炭素
などが考えられる。
【0022】本発明者らは、まずエピタキシャル成長装
置の材料を黒鉛から石英(SiO2)或いは窒化ホウ素
(BN)に変更して、GaPエピタキシャル層中の炭素
濃度が変化するか調べた。しかし、エピタキシャル成長
装置の材料を石英或いは窒化ホウ素に変更して成長した
GaPエピタキシャル層中の炭素濃度は、成長装置が黒
鉛の場合とほぼ同じであった。この結果から、エピタキ
シャル成長装置の黒鉛はGaPエピタキシャル層に炭素
が混入する主な原因ではないと考えられた。
【0023】次に本発明者らは、GaPのエピタキシャ
ル成長に用いる原料中に含まれる炭素不純物に着目し、
調査を行った。その結果、原料として用いられるGaP
多結晶中に含まれる炭素不純物の濃度とGaPエピタキ
シャル層中の炭素濃度の間には図1に黒丸●で示したよ
うな相関があることを見出した。図1に黒丸●で示した
結果から、GaP多結晶中の炭素濃度を下げることによ
りGaPエピタキシャル層中の炭素濃度を低減すること
が出来ることが判明した。
【0024】そこで本発明者らは、GaPのエピタキシ
ャル成長の原料に用いるGaP多結晶の製造方法から検
討を行った。通常GaPの液相エピタキシャル成長が実
施される800〜1000℃の温度では、エピタキシャ
ル成長装置の黒鉛がエピタキシャル成長用のGa溶液に
溶解することはほとんど無い。ところがGaP多結晶の
製造は1500℃程度の高い温度で行われるため、多結
晶成長用の黒鉛製容器から炭素がGaP融液に溶け込む
ものと考えられる。その結果、従来はGaP多結晶中に
は炭素が5〜30×1017cm-3程度存在していた。
【0025】そこで本発明者らは、GaP多結晶の合成
を熱分解窒化ホウ素(PBN)製の容器で行うよう変更
し、GaP多結晶中の炭素濃度を従来の5〜30×10
17cm-3から1×1017cm-3以下に大幅に低減した。
このように炭素不純物濃度を低減したGaP多結晶をエ
ピタキシャル成長の原料として用いることにより、図1
に白丸○で示したようにn2層中の炭素濃度を従来の8
〜20×1015cm-3程度から6×1015cm-3以下に
低減することが出来た。
【0026】図1はGaP多結晶中の炭素濃度とそのG
aP多結晶を使ったGaPエピタキシャル層中の炭素濃
度の関係を示した図であり、黒丸●は、従来のGaP多
結晶の製造を黒鉛製容器で行った場合のGaP多結晶中
の炭素濃度とそのGaP多結晶を使ったGaPエピタキ
シャル層中の炭素濃度を示し、白丸○は、本発明者の改
良によるGaP多結晶の製造をPBN製容器で行った場
合のGaP多結晶中の炭素濃度とそのGaP多結晶を使
ったGaPエピタキシャル層中の炭素濃度を示してい
る。
【0027】本発明者らは以上の知見に基づき、n2層
中に含まれる炭素不純物の濃度を6×1015cm-3以下
とすることにより、n2層内のn1層との界面近傍でp
反転層が形成されるのを防止し、GaP緑色発光ダイオ
ードにおいてサイリスタの発生する割合をほとんど0に
することができた。
【0028】また本発明者らは、第2の目的を達成する
ために、窒素をドープしたn型GaP層のS濃度を下げ
るための研究を行った。ところが、従来の方法では、S
濃度を6×1015cm-3以下にすることが不可能であっ
た。すなわち、従来のようにバッファ層により基板から
Sがn2層に混入するのを防止し、n2層のS不純物の
濃度を下げても、得られるn2層中のS不純物の最低レ
ベルは0.7〜1×1016cm-3程度が限界であり、S
濃度を6×1015cm-3以下に制御することは不可能で
あった。
【0029】本発明者らは、窒素をドープしたn型Ga
P層のS濃度が6×1015cm-3以下に下がらない原因
について、様々なSの混入源を想定し、その解明を行っ
た。その結果、窒素をドープしたn型GaP層への主な
Sの混入源は、GaP層のエピタキシャル成長に用いる
原材料であった。
【0030】そこで本発明者らは、GaP層のエピタキ
シャル成長に用いられる原料、特にGa金属について
は、純度を99.9999%以上とし、さらにエピタキ
シャル成長工程に用いる前におよそ1050℃程度の温
度で減圧雰囲気下あるいはH2雰囲気下で空焼き処理を
することにした。また、エピタキシャル成長の雰囲気を
形成するH2 ないしはアルゴン等の雰囲気ガスは、市販
されている高純度ガスについてさらに使用前に精製装置
を用いて純化処理し、反応炉に供給することにした。ま
た、エピタキシャル成長装置の材料となる黒鉛について
も、高純度のものを使用し、さらに実際にエピタキシャ
ル成長に使用する前に、1200℃程度の高温で例えば
塩化水素(HCl)ガス雰囲気中で空焼きを行い、純化
処理することにした。また、エピタキシャル成長に用い
るGaP単結晶基板の使用前の洗浄等についても、高純
度の薬品を用いてエッチング等の処理を行い、さらに超
純水により十分に洗浄を行うことにした。
【0031】本発明者らは、上記の方法を総合的に行う
ことにより、窒素をドープしたn型GaP層のS濃度を
6×1015cm-3以下に制御することを初めて可能にし
た。上述の方法により得られた窒素をドープしたn型G
aP層中のイオウ(S)濃度が6×1015cm-3以下で
あるGaP緑色発光ダイオードの、窒素をドープしたn
型GaP層中のS濃度と輝度との関係を図4に白丸○で
示す。また同時に、従来の方法により得られた窒素をド
ープしたn型GaP層中のS濃度が7×1015cm-3
上であるGaP緑色発光ダイオードの、窒素をドープし
たn型GaP層中のS濃度と輝度との関係も図4に黒丸
●で示す。
【0032】図4に示すように、窒素をドープしたn型
GaP層中のS濃度と輝度との間には、S濃度が2〜2
0×1015cm-3の範囲で相関が見られ、S濃度を6×
1015cm-3以下に制御することにより、S濃度が7〜
20×1015cm-3のGaP緑色発光ダイオードに比較
して、発光ダイオードの輝度を20〜50%向上するこ
とが出来た。本発明は、上記の方法を用いることにより
初めて作製することが出来た窒素をドープしたn型Ga
P層のS濃度を6×1015cm-3以下とするGaP緑色
発光素子である。
【0033】さらに上記の結果より、窒素をドープした
n型GaP層中のC濃度を6×1015cm-3以下としか
つS濃度を6×1015cm-3以下とすることにより、サ
イリスタが発生する割合を大幅に低減し、かつ輝度を従
来より高くすることができるGaP緑色発光ダイオード
を得ることが出来た。
【0034】また、本発明の実施に当たっては、窒素を
ドープしたn型GaP層中のSi濃度は1〜2×1016
cm-3であることが望ましい。すなわち、窒素をドープ
したn型GaP層中のSi濃度が2×1016cm-3以上
であると、該n型GaP層のドナー濃度が高いため、得
られるGaP緑色発光ダイオードの輝度が低下する傾向
がある。逆に、本発明の実施に当たって、窒素をドープ
したn型GaP層中のSi濃度を1×1016cm-3以下
に下げると、該n型GaP層中のS濃度を6×1015
-3以下に制御することとあいまって、該n型GaP層
のドナー濃度が低くなり過ぎ、該n型GaP層中にp型
反転層が生成する可能性が生じる。
【0035】なお、上述のようにn2層中のS濃度によ
りGaP緑色発光ダイオードの輝度が左右される機構に
ついては、現状ではわかっていない。また、GaP層中
のS等の不純物濃度の測定は、例えば二次イオン質量分
析(SIMS)により行うことが出来る。
【0036】
【実施例】
(実施例1)本発明に係わるGaP緑色発光ダイオード
は、一例として以下のような方法で、n型GaP単結晶
基板上に窒素をドープしないn型GaP層、窒素をドー
プしたn型GaP層およびp型GaP層を順次積層し形
成した。
【0037】図5は、このGaPエピタキシャル層の成
長に用いたスライドボート式成長装置を示す概略図であ
る。図5で、21は基板収納用ボート、22は基板を収
納する凹部、23はn型GaP単結晶基板、24はGa
溶液を収納したスライダー、25は溶液溜、26はGa
溶液、27は小孔、28は蓋である。また、スライドボ
ート式成長装置は黒鉛で出来ている。
【0038】まず、スライドボート式成長装置の凹部2
2にGaP単結晶基板23を、また溶液溜25に原料と
なるGaP多結晶を加えたGa溶液26を、図5のよう
に両者が接触しない状態でセットし、成長装置を反応炉
内に載置した。反応炉の反応管は石英ガラス(SiO
2 )で出来ている。またGaP多結晶は、製造する際に
PBN製の容器を用い炭素濃度を1×1017cm-3以下
に下げたものを使用した。
【0039】この状態で反応炉内の雰囲気をH2 に置換
し、反応炉の温度を1050℃に昇温した。そして、1
050℃で約1時間成長装置のベーキングを行った。こ
の間に、GaP多結晶がGa溶液に溶解し、GaPの飽
和したGa溶液が形成された。ベーキングの後、反応炉
の温度を1000℃に下げ、温度が安定した後、スライ
ダー24を摺動させてGaP単結晶基板23とGa溶液
26を接触させ、さらに基板23の上にGa溶液26の
一部を乗せた状態で、基板上に多数の小孔27を有する
部分が来るように、スライダー24を移動した。この状
態で約5分間保持した後1.5℃/分の速度で反応炉の
温度を950℃まで冷却した。この冷却過程で、GaP
単結晶基板上に窒素をドープしないn型GaP層(n1
層)が積層された。該層のドーパントは、反応炉の反応
管を構成する石英ガラスがH2 により還元されて、Ga
溶液中に取り込まれたシリコン(Si)である。n1層
の厚さはおよそ10μmでドナー濃度は1〜2×1017
cm-3であった。950℃に達した後、反応炉の温度を
約60分間一定に保持した。保持開始と同時に反応炉内
の雰囲気ガスをアンモニア(NH3 )を添加したアルゴ
ンガスに置換した。このようにするとアンモニアガスが
小孔27を介してGa溶液26と反応し、Ga溶液中に
窒素が取り込まれる。このGa溶液中に取り込まれた窒
素の一部は、Ga溶液中に溶存していたSiと反応しS
34 を作る。この結果、Ga溶液中のSiの濃度は
大きく減少することになる。950℃で60分保持後、
反応炉の温度を1.5℃/分の速度で900℃まで冷却
した。この冷却過程で窒素をドープしたn型GaP層
(n2層)が形成された。この窒素をドープしたn型G
aP層のドナー濃度は、上記のようにGa溶液中のSi
の濃度が大きく減少した結果、1〜5×1016cm-3
度の低い値となった。n2層の厚さはおよそ10μmで
あった。引き続き900℃に達してから、反応炉の温度
を約30分間一定に保った。保持開始と同時に、雰囲気
ガスを介して亜鉛(Zn)の蒸気を反応炉内に供給し
た。供給されたZnは多数の小孔27を介してGa溶液
と接触し、Ga溶液中にZnが溶け込む。この後再び、
反応炉の温度を1.5℃/分の速度で800℃まで冷却
した。この過程により、窒素をドープしたn型GaP層
の上に窒素をドープしたp型GaP層が形成された。こ
のp型GaP層のアクセプター濃度はおよそ5〜20×
1017cm-3程度であった。p型GaP層の厚さはおよ
そ20μmであった。
【0040】この後は、反応炉の加熱装置の電源を切
り、反応炉の温度を室温まで自然冷却した。基板の温度
が下がった後、製造されたエピタキシャルウエハを反応
炉より取り出し、エピタキシャルウエハのn型面とp型
面にそれぞれ、AuGeおよびAuBeを蒸着し、熱処
理を施し、写真蝕刻によってp電極、n電極を形成し、
その後素子に分離した。作製されたGaP緑色発光ダイ
オードの構造は図2(a)に示したものと同じである。
【0041】本実施例1によって得られたGaP緑色発
光ダイオードのn2層中のドナー不純物濃度は、n1層
との界面近傍でおよそ1〜3×1016cm-3程度、また
p型GaP層との界面近傍でおよそ2〜5×1016cm
-3程度であった。これに対して、n2層中の炭素濃度は
およそ3〜6×1015cm-3程度であった。この結果、
本実施例1によって得られたGaP緑色発光ダイオード
100万個中でサイリスタの発生は0であった。
【0042】(比較例1)上記実施例1と同様の方法に
より、GaP緑色発光ダイオードを作製した。但し、比
較例1に係わるGaPエピタキシャル層の成長には、従
来の黒鉛製の容器で製造した炭素濃度がおよそ5〜30
×1017cm-3程度のGaP多結晶を原料として使用し
た。
【0043】本比較例1によって得られたGaP緑色発
光ダイオードのn2層中のドナー不純物濃度は、n1層
との界面近傍でおよそ1〜3×1016cm-3程度、また
p型GaP層との界面近傍でおよそ2〜5×1016cm
-3程度であった。これに対して、n2層中の炭素濃度は
およそ8〜20×1015cm-3程度であった。この結
果、本比較例1によって得られたGaP緑色発光ダイオ
ード100万個中でサイリスタの発生は300個であっ
た。
【0044】(実施例2)本発明に係わる別のGaP緑
色発光ダイオードは、一例として以下のような方法で形
成した。
【0045】まず、ドナー不純物としてTeを添加し、
ドナー濃度がおよそ2〜10×1017cm-3のn型Ga
P単結晶基板上にn型GaPバッファ層を積層した。バ
ッファ層の積層は次のように行った。1060℃でGa
P多結晶およびn型ドーパントとなるTeを溶解させた
Ga溶液をn型GaP単結晶基板上に配置した。このG
a溶液はn型GaPバッファ層のドナー濃度が0.5〜
10×1017cm-3になるようにTeが添加されている
1060℃におけるGaPの飽和溶液である。成長の雰
囲気ガスを水素(H2 )として、前記Ga溶液を含む系
の温度を徐々に降温させ、Ga溶液に溶解しているGa
Pをn型GaP単結晶基板上に析出させた。このように
してTeがドープされたn型GaPバッファ層がn型G
aP単結晶基板上に積層された。n型GaPバッファ層
の厚さはおよそ70μmであった。
【0046】このようにして作製したn型GaPバッフ
ァ層を有するn型GaP単結晶基板上に、窒素をドープ
しないn型GaP層、窒素をドープしたn型GaP層お
よびp型GaP層を、実施例1と同様の方法により順次
積層した。但し、本実施例2に係わる窒素をドープしな
いn型GaP層、窒素をドープしたn型GaP層および
p型GaP層の成長には、従来の黒鉛製の容器で製造し
た炭素濃度がおよそ5〜30×1017cm-3程度のGa
P多結晶を原料として使用した。製造されたエピタキシ
ャルウエハのn型面とp型面にそれぞれ、AuGeおよ
びAuBeを蒸着し、熱処理を施し、写真蝕刻によって
p電極、n電極を形成し、その後一辺が300μmの正
方形の素子に分離した。
【0047】作製されたGaP緑色発光ダイオードの構
造を図6に示す。図6において符号11〜16は図2
(a)において示したものと同一である。また、17は
n型GaPバッファ層である。
【0048】なお、上記実施例2の実施に当たっては、
前述した窒素をドープしたn型GaP層(n2層)中の
Sの濃度を下げるための手段はすべて行った。すなわ
ち、高純度原材料の使用、雰囲気ガスに使用するガスの
精製、高純度薬品および超純水による基板の洗浄、成長
装置の純化処理はすべて総合的に実施した。
【0049】本実施例2によって得られたGaP緑色発
光ダイオードのn2層中のドナー不純物濃度は、Si濃
度が1〜2×1016cm-3、S濃度が2〜6×1015
-3であった。また該発光ダイオードの輝度は順方向電
流20mAのとき10〜20mcd(平均15mcd)
であった。
【0050】(比較例2)上記実施例2と同様の方法に
より、GaP緑色発光ダイオードを作製した。但し、本
比較例2に係わるGaPエピタキシャル層の成長では、
前述したn2層中のSの濃度を下げるための手段は従来
と同様特に行わなかった。
【0051】本比較例2によって得られたGaP緑色発
光ダイオードのn2層中のドナー不純物濃度はSi濃度
が1〜2×1016cm-3、S濃度がおよそ1×1016
-3で、該発光ダイオードの輝度は順方向電流20mA
のとき7〜15mcd(平均10mcd)であった。
【0052】(実施例3)本実施例3では、上記実施例
2と同様の方法によりGaP緑色発光ダイオードを作製
した。但し、本実施例3に係わる窒素をドープしないn
型GaP層、窒素をドープしたn型GaP層およびp型
GaP層の成長には、製造する際にPBN製の容器を用
い炭素濃度を1×1017cm-3以下に下げたGaP多結
晶を原料として使用した。
【0053】本実施例3によって得られたGaP緑色発
光ダイオードのn2層中のドナー不純物濃度は、Si濃
度が1〜2×1016cm-3、S濃度が2〜6×1015
-3であった。これに対して、n2層中の炭素濃度はお
よそ3〜6×1015cm-3程度であった。この結果、本
実施例3によって得られたGaP緑色発光ダイオード1
00万個中でサイリスタの発生は0であった。また該発
光ダイオードの輝度は順方向電流20mAのとき10〜
20mcd(平均15mcd)であった。
【0054】
【発明の効果】本発明によれば、炭素濃度を低減したG
aP多結晶をエピタキシャル成長の原料として用い、窒
素をドープしたn型GaP層(n2層)中の炭素濃度を
従来の8〜20×1015cm-3程度から6×1015cm
-3以下に低減することにより、n2層内のn1層との界
面近傍でp反転層が形成されるのを防止し、GaP緑色
発光ダイオードにおいてサイリスタの発生する割合をほ
とんど0にすることができた。その結果、GaP緑色発
光ダイオードの製造において、不良品の割合を大幅に低
減することが出来たことに加えて、製品のサイリスタ不
良を検査する工程を省略することが可能となり、その効
果は多大であった。
【0055】また本発明により、窒素をドープしたn型
GaP層(n2層)中のS濃度を6×1015cm-3以下
に制御したGaP緑色発光ダイオードが得られた結果、
従来の窒素をドープしたn型GaP層中のS濃度がおよ
そ1×1016cm-3程度のGaP緑色発光ダイオードに
比較して、発光ダイオードの輝度を20〜50%向上す
ることが出来た。
【0056】さらに、n2層中の炭素濃度を6×1015
cm-3以下に低減し、かつn2層中のS濃度を6×10
15cm-3以下に制御することにより、サイリスタがほと
んど発生せず、かつ高輝度のGaP緑色発光ダイオード
が得られた。
【図面の簡単な説明】
【図1】GaP多結晶中の炭素濃度とそのGaP多結晶
を使ったGaPエピタキシャル層中の炭素濃度の関係を
示した図。
【図2】(a) 従来のGaP緑色発光ダイオードの構
造または実施例1と比較例1に係わるGaP緑色発光ダ
イオードの構造を示す図。 (b) 従来のGaP緑色発光ダイオードの不純物濃度
の分布を示す図。
【図3】(a) サイリスタとなった素子の構造を示す
図。 (b) サイリスタとなった素子の不純物濃度の分布を
示す図。
【図4】GaP緑色発光ダイオードの、窒素をドープし
たn型GaP層中のS濃度と輝度との関係を示す図。
【図5】GaPエピタキシャル層の成長に用いたスライ
ドボート式成長装置を示す図。
【図6】実施例2、3および比較例2に係わるGaP緑
色発光ダイオードの構造を示す図。
【符号の説明】
11:n型GaP単結晶基板 12:窒素(N)をドープしないn型GaP層(n1
層) 13:窒素をドープしたn型GaP層(n2層) 14:p型GaP層 15:p電極 16:n電極 17:n型GaPバッファ層 21:基板収納用ボート 22:基板を収納する凹部 23:n型GaP単結晶基板 24:Ga溶液を収納したスライダー 25:溶液溜 26:Ga溶液 27:小孔 28:蓋 31:n型GaP単結晶基板 32:窒素(N)をドープしないn型GaP層(n1
層) 33:窒素をドープしたn型GaP層(n2層) 34:p型GaP層 35:p電極 36:n電極 37:p型GaP反転層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−120561(JP,A) 特開 平6−342935(JP,A) 特公 昭57−53993(JP,B1) 特公 昭57−54951(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00 JICSTファイル(JOIS)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】n型GaP単結晶基板上に、少なくとも、
    窒素(N)をドープしないn型GaP層、窒素をドープ
    したn型GaP層およびp型GaP層が順次積層されて
    なるリン化ガリウム(GaP)緑色発光素子において、
    窒素をドープしたn型GaP層中のイオウ(S)濃度が
    6×1015cm-3以下であり、かつシリコン(Si)濃
    度が1〜2×1016cm-3であることを特徴とするリン
    化ガリウム緑色発光素子。
  2. 【請求項2】前記窒素をドープしたn型GaP層中の炭
    素(C)濃度が6×1015cm-3以下であることを特徴
    とする請求項1記載のリン化ガリウム緑色発光素子。
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