JP4156873B2

JP4156873B2 - エピタキシャルウエハの製造方法

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Publication number: JP4156873B2
Application number: JP2002193850A
Authority: JP
Inventors: 英樹手束; 忠重佐藤
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2022-07-02
Also published as: JP2004035314A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）等の材料として用いられるエピタキシャルウエハの製造方法に関し、特に、基板上にIII−Ｖ族化合物半導体をエピタキシャル成長させるエピタキシャルウエハの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
化合物半導体結晶を構成材料とするＬＥＤは、情報処理用光源、表示用光源などのオプトエレクトロニクスデバイスとして現在様々の用途に応用されている。その中でもIII−Ｖ族化合物半導体結晶は、各種ＬＥＤ用の材料として利用されており、特にＧａＡｓＰの需要は極めて大きい。
【０００３】
Ｇａ、Ａｓ及びＰを構成元素として含むリン化ヒ化ガリウム混晶ＧａＡｓ_1-xＰ_xは、ＧａＡｓとＧａＰの全率固溶体混晶で、組成比ｘは０≦ｘ≦１まで任意の値を取ることができる。その組成比ｘの変化に伴ってバンドギャップは、１．４２ｅＶ（ｘ＝０）〜２．２５ｅＶ（ｘ＝１）の間で変化し、可視〜赤外波長領域の発光が可能となる。そして、ｘ＞０．４５では間接遷移型のバンドギャップ構造となるため、等電子トラップ作用を有する窒素ドープにより発光効率を高めて、赤色から緑色の可視ＬＥＤ用の材料として使用されている。一方、ｘ≦０．４５では直接遷移型のバンドギャップ構造となるため、赤外色から赤色の高発光効率のＬＥＤ用の材料として使用されている。
【０００４】
また、ＬＥＤを用いた情報伝達・情報処理用光源デバイスとして、ＬＥＤフォトカプラが知られている。これは、入力回路のＬＥＤと出力回路の受光素子とを対向あるいは併置させたもので、入出力回路間を電気的に絶縁した状態で光により信号伝達を行うものである。このデバイスにＬＥＤを組み込む場合には、光の単色性及び高速性の両方が重要視されるため、発光パターンのにじみが少なく、比較的応答速度の高速な直接遷移型ＧａＡｓＰが材料として用いられている。また、同様の理由から、微細な発光点を必要とするＬＥＤプリンタ用のアレイ材料としての用途もある。
【０００５】
ＬＥＤ用の材料として用いられる直接遷移型ＧａＡｓ_1-xＰ_x（０＜ｘ≦０．４５）エピタキシャルウエハは、ＧａＡｓ単結晶基板上に、結晶欠陥低減を目的に単結晶基板と同一組成のホモ層、格子不整合に起因した歪みを緩和するために混晶比ｘを連続的に変化させたＧａＡｓ_1-xＰ_x組成変化層、目的の発光波長に相当する混晶比ｘ₀のＧａＡｓ_1-x0Ｐ_x0組成一定層を順次堆積させた構造を有する。この組成一定層の導電型は通常ｎ型である。その後、組成一定層の表面から拡散法により導電型がｐ型のＺｎ拡散層を形成して、フォトカプラ用の発光素子ＬＥＤが作製される（例えば特開２０００−６８２１３号公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
近年、速い応答速度と高い発光出力とを兼ね備えたＬＥＤフォトカプラ用のＬＥＤが要求されてきており、これに応えるためには、エピタキシャルウエハ自体の特性を向上させる必要がある。ここで、応答速度は光出力のオン、オフにかかる時間に相当し、発光出力が減衰する時間は少数キャリアのライフタイムに相当する。
【０００７】
このような応答速度の高速化に対する要求は、ｐｎ接合付近に注入された少数キャリアを増加させること、すなわち電子と正孔との再結合確率を上げることで解決される。上述したＧａＡｓＰの場合、一般には拡散法でｐ型が形成されるため、ｐ層のＺｎ濃度は一定と見なすことができ、ｎ型のキャリア濃度が応答速度を決定する上での実質的なパラメータになり得る。従って、ｎ型ドーパントを高濃度にドープすれば高速化は実現できる。
【０００８】
しかしながら、必要以上のｎ型ドーパントのドープはエピタキシャルウエハの結晶品質の悪化を招いたり、電界の印加時にドーパント自身が拡散現象を引き起こすという問題を生じさせる。これらは結果として、内部量子効率の低下や素子寿命の短縮など、別の面でマイナス要素として働く恐れがあるので、必要以上のｎ型ドーパントのドープは好ましくない。
【０００９】
一方、発光出力の高出力化を実現するためには、材料的な側面のみで見れば、エピタキシャルウエハの結晶中の欠陥を極力抑える結晶成長法の選択とその最適化とがポイントになる。すなわち、注入された少数キャリアのｐｎ接合付近でのライフタイムを大きくするために、非発光再結合中心となる欠陥の少ない高品質のエピタキシャルウエハを得ることである。
このように、応答速度の高速化と発光出力の高出力化とは相反する関係にあるため、双方を同時に満足させるＧａＡｓＰの成長条件の選択とその最適化は容易ではない。
【００１０】
本発明は、以上の技術的課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、ＬＥＤ用の材料として用いた際に、高い発光出力と高速な応答時間とを両立できるエピタキシャルウェハの製造方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述した課題を解決すべく鋭意検討を行った結果、III−Ｖ族化合物半導体の組成一定層をエピタキシャル成長させる際に、この組成一定層が堆積される基板の基板温度を、従来の一定温度とは異なり降下させることで、得られたエピタキシャルウエハから製造されるＬＥＤが高い発光出力と高速な応答時間とを両立できることを見出し、本発明に到達した。
【００１２】
すなわち、本発明のエピタキシャルウエハの製造方法は、基板の基板温度ＴをＴ２に設定し、基板の基板温度ＴをＴ２よりも低いＴ３まで降下させ、基板温度Ｔの降下プロセス中に、基板の上にＧａＡｓ _１−ｘＰ _ｘ（０＜ｘ＜１）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、ｐｎ接合が形成される組成一定層をエピタキシャル成長させることを特徴としている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をより詳細に説明する。まず、図１に基づき、本発明の製造方法によって得られるエピタキシャルウエハの構成を詳細に説明する。
ＬＥＤの材料として用いられるIII−Ｖ族化合物半導体としては、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＰ等が知られていて、ＬＥＤフォトカプラ用としてはＧａＡｓ_1-xＰ_x（０＜ｘ＜１）の需要が大きい。特に、直接遷移型バンド構造を有し高発光効率の得られるＧａＡｓ_1-xＰ_x（０＜ｘ≦０．４５）が最も好ましいので、これを例に挙げて具体的に説明する。
【００１４】
単結晶基板１０としては、通常、ＧａＡｓ又はＧａＰの何れかが選択されるが、ｐｎ接合を形成する組成一定層１３が直接遷移型バンド構造をもつＧａＡｓ_1-xＰ_x（０＜ｘ≦０．４５）からなる場合は、ＧａＡｓがＬＥＤの発光を吸収するために光のにじみがなく、また直接遷移型バンド構造であるためＬＥＤの高光出力を実現し、かつ応答速度を決定する少数キャリアのライフタイムがより小さくなるので好ましい。
【００１５】
また、ＧａＡｓ_1-xＰ_x（０＜ｘ≦０．４５）組成一定層１３を結晶構造の観点からみると、単結晶基板１０としてＧａＡｓあるいはＧａＰのいずれを採用した場合にも、組成一定層１３との格子定数の差が大きいことから、単結晶基板１０と組成一定層１３との間に、単結晶基板１０との界面ではこの単結晶基板１０と格子定数が略一致し且つ組成一定層１３との界面ではこの組成一定層１３と格子定数が略一致するように層厚さ方向に組成を変化させた組成変化層１２を形成することで、結晶欠陥の少ない組成一定層１３を得ることが好ましい。
【００１６】
ここで、組成変化層１２は、層厚さ方向に連続的に組成変化するものだけでなく、組成一定層１３の格子定数及び単結晶基板１０の格子定数の中間の格子定数を有するものであれば、格子の歪みを緩和できることから、組成変化の形態によらず、例えば複数の階段状の組成変化であっても、組成変化層１２と見なすことができる。そして、組成変化層１２の層厚は、好ましくは１〜１００μｍ、より好ましくは１０〜８０μｍである。また、組成変化層１２のキャリア濃度は、０．５〜３０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上、好ましくは０．８×１０¹⁷ｃｍ^-3以上で２０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、平均で１〜８×１０¹⁷ｃｍ^-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という点で好ましい。なお、キャリア濃度が３０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であると組成変化層１２の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。
【００１７】
また、組成一定層１３の層厚は好ましくは１０〜７０μｍ、より好ましくは１０〜３０μｍである。組成一定層１３のキャリア濃度は、０．５〜３０×１０¹⁷ｃｍ^-3以上、好ましくは０．８×１０¹⁷ｃｍ^-3以上で２０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、平均で２〜８×１０¹⁷ｃｍ^-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という点で好ましい。そして、組成変化層１２及び組成一定層１３の合計層厚は、３０〜１３０μｍであることが好ましい。これ以上の合計層厚は実用上の問題は少ないものの、コストが高くなる。
【００１８】
更に、単結晶基板１０の上に直接組成変化層１２を形成しても差し支えないが、単結晶基板１０と組成変化層１２との間に単結晶基板１０と同一組成のホモ層１１を０．１〜１００μｍ、好ましくは０．１〜１５μｍ程度形成した方が、ミスフィット転移を抑制でき、また、安定に高光出力が得られるので好ましい。
【００１９】
フォトカプラ用ＬＥＤの性能として要求される高光出力化のためには、エピタキシャル成長開始時の基板温度Ｔを最適化する必要がある。ホモ層１１がＧａＡｓである場合は成長開始時の基板温度はＧａＡｓＰ層の成長温度より低いので、成長開始温度を下げることで、良質のＧａＡｓホモ層１１が成長でき、高光出力化を実現できる。
【００２０】
また、通常、組成変化層１２を成長させる場合は基板温度Ｔを一定にする（例えば上記特開２０００−６８２１３号公報参照）が、本発明においては、基板温度Ｔ1から基板温度Ｔ2へ連続的に基板温度Ｔを上昇させながら（Ｔ1＜Ｔ2）エピタキシャル成長を行わせることが、高光出力が得られるので好ましい。そして、上述した基板温度Ｔ1は７００〜８００℃の範囲より選定され、基板温度Ｔ2は７３０〜８２０℃の範囲より選定し、その温度差を５〜５０℃とすることが、光出力を向上させるために好ましい。また、基板温度Ｔ1から基板温度Ｔ2への温度上昇ペースは、少なくとも０．０５から０．８℃／ｍｉｎで連続的に基板温度Ｔを高くすることが最も高光出力が得られるので好ましい。
【００２１】
更に、組成変化層１２を成長させる際には、基板温度ＴをＴ1からＴ2へと上昇させた後、基板温度Ｔと供給原料ガス組成の両方が同時に変化することによる結晶欠陥誘発の懸念を完全に払拭するべく、基板温度Ｔを一定にして組成変化層１２をエピタキシャル成長させることが、安定して高光出力が得られるので好ましい。
【００２２】
また、組成一定層１３としてのＧａＡｓ_1-xＰ_x（０＜ｘ≦０．４５）には、ＬＥＤ材料として用いる場合は、通常、発光層としてｐｎ接合が形成される。組成ｘ＝０．１、０．２、０．４に対して、発光ピーク波長は７８０、７４０、６６０ｎｍが得られ、これらは仕様によって、組成一定層１３の組成を変化させることで任意に所望の発光波長を有するＬＥＤを得ることができる。組成一定層１３は、通常はｎ型の導電型をもち、エピタキシャル成長後に亜鉛（Ｚｎ）を熱拡散してｐ層１４を選択拡散してｐｎ接合が形成される。ｐ層１４のキャリア濃度は平均で１〜３０×１０¹⁸ｃｍ^-3であることが好ましい。また、Ｚｎの拡散深さは平均で０．５〜１０μｍであることが好ましく、さらには２〜５μｍであることがより好ましい。それ以上のキャリア濃度及び拡散深さはＺｎの自己吸収により低光出力を招く。なお、ここでいうキャリア濃度は、組成一定層１３中であって、特にｐｎ接合を形成する領域に適応されることは当然である。組成一定層１３を製造するに当たって、III族原料とＶ族原料の供給比は一定に保持されることで定義される。なお、組成一定層１３中におけるＧａＰ混晶比で組成一定層１３の組成値に対して±５％以内の変動は、実質的に組成一定層１３と見なされる。
【００２３】
本発明は高光出力を損なうことなく、応答速度の速いＬＥＤを提供することにある。すなわち、組成一定層１３をエピタキシャル成長させる際に少なくとも基板温度Ｔを下げながら成長させることにより、光出力の低下を生じさせずに、ＬＥＤの応答速度を速くすることにある。これは、組成一定層１３の基板温度ＴをＴ2からＴ3に降下させる降下プロセス中に、組成一定層１３をエピタキシャル成長させることによって達成される。ここで、Ｔ2及びＴ3はそれぞれ７３０〜８２０℃、７００〜８００℃の範囲より選択すれば高光出力が得られるので好ましく、Ｔ2はＴ3よりも３〜１００℃、より好ましくは５〜５０℃の温度差があれば、高光出力が安定に得られる。なお、基板温度ＴをＴ2からＴ3に降下させる降下プロセスでは、連続的に基板温度Ｔを降下させることが好ましいが、一時的に基板温度Ｔを降下させるプロセスを含むものであれば、温度降下のやり方は適宜選定してよい。ここで、組成一定層１３のエピタキシャル成長終了まで基板温度Ｔを温度降下させた場合は、成長終了時点での基板温度Ｔが基板温度Ｔ3と見なされる。また、組成変化層１２をエピタキシャル成長させている時点から基板温度Ｔの温度降下を実施する場合は、組成一定層１３の成長開始時点の基板温度ＴをＴ2と見なすことは当然である。
【００２４】
ここで、基板温度Ｔを降下させながらエピタキシャル成長させた組成一定層１３が、その表面側にあり、少なくともｐｎ接合が形成される組成一定層１３の表面から１０μｍ未満、特に６μｍ未満の範囲にあることが好ましい。なお、基板温度Ｔの降下速度は０．０１℃以上であればよいが、コスト面から０．１〜３℃／ｍｉｎであることが好ましい。
【００２５】
一般に、Ｚｎ拡散で形成されるＬＥＤでは、形成されるｐ層１４のＺｎ濃度の均一性が良く、得られるＬＥＤの発光出力はｎ型の組成一定層１３のキャリア濃度に依存し、キャリア濃度１〜８×１０¹⁷ｃｍ^-3であれば高光出力が得られ、１．５〜５×１０¹⁷ｃｍ^-3で最大のＬＥＤ発光出力が得られるので、さらに好ましい。
【００２６】
また、Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3の相互関係については、Ｔ1は成長開始温度にほぼ相当し、Ｔ2及びＴ3はｐ層１４を形成して発光層となる組成一定層１３の光出力の安定性と光応答速度を速める歪みを決定する要因となるため、経験的にはＴ3＜Ｔ1＜Ｔ2なる関係であれば、高光出力と高応答速度が安定に同時に得られるために好ましい。組成一定層１３の厚さについては１０〜７０μｍ、より好ましくは１０〜３０μｍであれば、光出力を損なわず、より高応答速度が得られやすいので好ましい。その結果として得られるＧａＡｓＰ混晶エピタキシャル層（ホモ層１１、組成変化層１２、組成一定層１３）の合計厚さは３０〜１１０ｕｍであり、組成変化層１２はその中で１０〜８０μｍであることが、高応答速度が得られるので好ましい。
【００２７】
本発明にかかるエピタキシャルウエハの製造に当たっては、複雑なエピタキシャル層構造を製造できる気相エピタキシャル成長法の中から選択することが好ましく、具体的には、ハロゲン輸送法または有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）のいずれかが選択される。原料としてハロゲン化合物原料を少なくとも１つ以上有するハロゲン輸送法は、高純度のエピタキシャル層が得られ、量産性に富むことから有利であり、特にハイドライド法が一般的である。
【００２８】
また、ハロゲン輸送法においては、供給原料ガス組成比の選択も重要な要因である。供給原料ガス組成比とはＧａＡｓＰエピタキシャルウエハの構成元素である周期律表第III族のＧａと第Ｖ族のＡｓおよびＰの原子数モル比［III］／［Ｖ］＝［Ｇａ］／［Ａｓ＋Ｐ］を意味する。一般には、［Ｖ］一定の下で［III］を増加するとＧａＡｓＰの成長速度はある一定の［III］で最大になり、［III］／［Ｖ］比が大きいほど得られたＬＥＤの発光出力は高くなる傾向がある。従って、［III］／［Ｖ］比と基板温度Ｔとの組み合わせを最適化すれば、高い発光出力を呈するＧａＡｓＰエピタキシャルウエハを得られることになる。このようなＧａＡｓＰエピタキシャルウエハでは、［III］／［Ｖ］比を、
０．２＜［III］／［Ｖ］＜１．０
さらに好ましくは、
０．３５＜［III］／［Ｖ］＜０．６
とすれば、高光出力が得られるので好ましい。
【００２９】
また、ｐ層１４を形成するためのｐ型ドーパントとしては、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｃｄ、Ｂｅ等があるが、毒性からＣｄとＢｅは好ましくない。高光出力が得られ、有害性も少ないことからＺｎまたはＭｇが選択される。エピタキシャル層内のキャリア濃度プロファイルの測定方法は、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、Ｃ−Ｖ法によって測定できる。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のように、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。応答速度の測定はＬＥＤにパルス電圧を印可し、オフ時の光強度を次式であらわせる。
Ｉ＝ａ・ｅｘｐ（−ｔ／τ）
ここでＩは光強度、ｔはオフからの時間、τは減衰定数である。本発明ではτを応答速度と定義する。
【００３０】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。
―実施例１―
図２は、実施例１に係るエピタキシャルウエハの製造プロセスにおける経過時間ｔと基板温度Ｔとの関係を示している。図１及び図２を参照しながら、本実施例におけるエピタキシャルウエハの製造プロセスを説明する。
【００３１】
まず、前段階として、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）単結晶基板１０および高純度ガリウム（Ｇａ）をＧａ溜め用石英ボード付きのエピタキシャル結晶成長用リアクタ内の所定場所にそれぞれ設置した。ここで、ＧａＡｓ単結晶基板１０は、テルル（Ｔｅ）が３〜３０×１０¹⁷原子個／ｃｍ³ドープされたものであって、直径７６．２±０．３ｍｍの円形で、（１００）面から［００１］方向に２±０．５度傾けた表面を持つものを用いた。このＧａＡｓ単結晶基板１０をサセプタに設置した。ウエハ面内で均一にエピタキシャル成長を行わせるため、サセプタは毎分３回転させた。
【００３２】
窒素（Ｎ₂）ガスをリアクタ内に１５分間導入し空気を十分置換除去した後、キャリアガスとして高純度水素（Ｈ₂）を２１８００ｃｃ／ｍｉｎ導入し、Ｎ₂の流れを止めて昇温工程に入った。上記Ｇａ入り石英ボートの設置部分とＧａＡｓ単結晶基板１０の設置部分の温度が、それぞれ８００℃および７８５℃（以下、基板温度Ｔという）に一定保持されていることを確認した後、尖頭発光波長７０７±５ｎｍのＧａＡｓ_1-xＰ_xエピタキシャル混晶（ｘ＝０．１７）の気相成長を開始した。
【００３３】
まず、濃度１００ｐｐｍに水素（Ｈ₂）ガスで希釈されたｎ型ドーパントであるジエチルテルル（（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｔｅ）を所定のキャリア濃度になるように流し、周期律表第III族成分原料としての塩化ガリウム（ＧａＣｌ）を生成させるため石英ボート中のＧａ溜めに高純度塩化水素（ＨＣｌ）ガスを１９０ｃｃ／ｍｉｎ吹き込み、Ｇａ溜め上表面より吹き出させた。なお、導入されたＨＣｌガスはＧａと１００％反応してＧａＣｌになると見なされる。他方、周期律表第Ｖ族成分原料として、Ｈ₂ガスで濃度１０％に希釈されたヒ化水素（ＡｓＨ₃）を３１３５ｃｃ／ｍｉｎ導入しながら、第１層であるＧａＡｓホモ層１１をＧａＡｓ単結晶基板上に１０分間堆積させた。
【００３４】
続いて、（（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｔｅ）、ＨＣｌ、ＡｓＨ₃の導入量を変化させることなく、Ｈ₂ガスで濃度１０％に希釈されたリン化水素（ＰＨ₃）の導入量を０ｃｃ／ｍｉｎ〜７３５ｃｃ／ｍｉｎまで１００分間で増加させ、同時に基板温度Ｔを前半５０分で７８５℃〜７９５℃まで連続して変化させ、残りの５０分はＴ＝７９５℃一定に保持しながら第２層のＧａＡｓ_1-xＰ_x（ｘ＝０→０．１７）組成変化層１２を第１層のＧａＡｓホモ層１１上に成長させた。
【００３５】
次の５０分間は（（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｔｅ）、ＨＣｌ、ＡｓＨ₃、ＰＨ₃の導入量を変化させることなく一定に保持しつつ、基板温度Ｔを７９５℃〜７７５℃まで連続的に５０分で変化させながら、第３層のＧａＡｓ_1-xＰ_x組成一定層（発光層：ｘ＝０．１７）１３を第２層の組成変化層１２上に成長させて、気相成長を終了した。なお、供給原料ガス組成比［III］／［Ｖ］は０．５である。
【００３６】
得られたエピタキシャル結晶のＧａＡｓホモ層１１、組成変化層１２及び組成一定層１３の膜厚は、それぞれ５μｍ、３１μｍ、１６μｍであった。ＧａＡｓホモ層１１、組成変化層１２及び組成一定層１３中のキャリア濃度は、得られたエピタキシャルウエハを斜め研磨した後、その表面にショットキーダイオードを作製してＣ−Ｖ法により測定した。キャリア濃度は３〜４×１０¹⁷ｃｍ^-3であった。なお、該エピタキシャルウエハの表面については、ピラミッド、ピットなどの結晶欠陥はほとんど実用上問題ないレベルにある。
【００３７】
それに引き続いて、熱拡散法により導電型がｐ型の亜鉛（Ｚｎ）選択拡散層１４（以下、ｐ層１４という）を組成一定層１３中に形成した。なお、ｐ層１４の拡散深さは約３μｍであった。５００μｍ角のダイシング工程や真空蒸着による電極形成などを行ってＬＥＤチップを作製し、樹脂コートなしで直流１００ｍＡの条件で光出力を測定した。また、パルス幅０．６μｓ、印加電圧１．６０Ｖの条件下での応答速度（パルス立ち下がり時間：９０％から１０％に減衰する時間）を測定した。９点での平均発光出力は１５４（任意単位）、５０点での平均応答速度は１５．５４ｎｓであった。
【００３８】
―実施例２―
図３は、実施例２に係るエピタキシャルウエハの製造プロセスにおける経過時間ｔ（エピ成長時間）と基板温度Ｔ（エピ成長温度）との関係を示している。
本実施例は、第３層の組成一定層１３の成長工程において、基板温度Ｔを７９５℃〜７７５℃まで連続的に５０分で降下させながら組成一定層１３を成長させた後、さらに基板温度Ｔを７７５℃に維持して組成一定層１３を１５分成長させる以外は、すべて実施例１と同じである。
【００３９】
得られたエピタキシャル結晶のＧａＡｓホモ層１１、組成変化層１２及び組成一定層１３の膜厚は、それぞれ４μｍ、２８μｍ、１９μｍであった。キャリア濃度は実施例１と同様に測定し、同じ結果を得た。
そして、実施例１と同様にｐ層１４（拡散深さ：約３μｍ）を形成した後、ＬＥＤを作製して同条件でＬＥＤの発光出力および応答速度を測定した。９点での平均発光出力は１４７（任意単位）、５０点での平均応答速度は１５．５４ｎｓであった。
【００４０】
―実施例３―
図４は、実施例３に係るエピタキシャルウエハの製造プロセスにおける経過時間ｔ（エピ成長時間）と基板温度Ｔ（エピ成長温度）との関係を示している。
本実施例は、第３層の組成一定層１３の成長工程において、基板温度Ｔを７９５℃〜７７５℃まで連続的に５０分で降下させながら組成一定層１３を成長させた後、さらに基板温度Ｔを７７５℃で維持して組成一定層１３を１００分成長させる以外は、すべて実施例１と同じである。
【００４１】
得られたエピタキシャル結晶のＧａＡｓホモ層１１、組成変化層１２及び組成一定層１３の膜厚は、それぞれ４μｍ、２９μｍ、３９μｍであった。キャリア濃度は実施例１と同様に測定して、同じ結果を得た。
そして、実施例１と同様にｐ層１４（拡散深さ：約３μｍ）を形成した後、ＬＥＤを作製して同条件でＬＥＤの発光出力および応答速度を測定した。９点での平均発光出力は１８１（任意単位）、５０点での平均応答速度は１９．８４ｎｓであった。
【００４２】
―比較例１―
図５は、比較例１に係るエピタキシャルウエハの製造プロセスにおける経過時間ｔ（エピ成長時間）と基板温度Ｔ（エピ成長温度）との関係を示している。
本実施例は、第３層の組成一定層１３の成長過程において、基板温度Ｔを７９５℃一定にする以外はすべて実施例１に同じである。すなわち、従来の製造方法を適用したものである。
【００４３】
得られたエピタキシャル結晶のＧａＡｓホモ層１１、組成変化層１２及び組成一定層１３の膜厚は、それぞれ４μｍ、２８μｍ、２５μｍであった。キャリア濃度は実施例１と同様に測定して、同じ結果を得た。
そして、実施例１と同様にｐ層１４（拡散深さ：約３μｍ）を形成した後、ＬＥＤを作製して同条件でＬＥＤの発光出力および応答速度を測定した。９点での平均発光出力は１０７（任意単位）、５０点での平均応答速度は１３．９９ｎｓであった。
【００４４】
上述した実施例１〜３及び比較例１におけるエピタキシャルウエハの製造条件、及び、得られたエピタキシャルウエハより製造されたＬＥＤの評価結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】

【００４６】
表１より、実施例１及び実施例２では、光出力の低下を生じさせることなく、応答速度の高速化を実現できていることが理解される。一方、実施例３では、光出力の高出力化は図られているものの、応答速度は実施例１及び２より劣っている。実施例３では、組成一定層１３の成長法として、基板温度Ｔを７９５℃〜７７５℃まで連続的に低下させ（時間５０分）、さらに７７５℃一定で１００分間エピタキシャル成長させてプロセスを終了している。その結果、得られた組成一定層１３の厚さは３９μｍあるが、その内訳をみると前半（基板温度Ｔを低下させながらエピタキシャル成長を行わせた部位）が１６μｍ、後半（基板温度Ｔを一定にしながらエピタキシャル成長を行わせた部位）が２３μｍある。ｐ層１４の厚さは約３μｍであったので、実施例３におけるｐｎ接合の形成部位は、基板温度Ｔを低下させながらエピタキシャル成長を行わせた部位ではなく、基板温度Ｔを一定にしながらエピタキシャル成長を行わせた部位であることになる。つまり、ｐｎ接合部が形成される部位に対応する組成一定層１３が、基板温度Ｔ＝Ｔ3一定で製造されているため、光出力の高出力化は図られているものの、応答速度は実施例１及び２より劣っていることが理解される。これより、ｐｎ接合が形成される部位に対応する組成一定層１３については、基板温度Ｔを降下させながらエピタキシャル成長させるとよいこと、および、その表面から１０μｍ未満に基板温度Ｔを低下させながら形成した部位が存在すればよいことがわかる。
【００４７】
これに対し、比較例１は、組成一定層１３をエピタキシャル成長させる際の基板温度Ｔを一定にした例である。比較例１では、基板温度Ｔの選択が不適であるため、高光出力化が実現できていない。但し、ライフタイムが短くなり、応答速度は速くなっている。
【００４８】
ここで、組成一定層１３の堆積時に基板温度Ｔを降下させることによって、光出力の高出力化と応答速度の高速化とを図ることができた理由について検討してみる。
有機金属気相法（ＭＯＶＰＥ）の分野では、目的とするデバイス特性を実現するために、化合物半導体結晶の発光構造に歪みを導入することが多く、材料設計の重要な要素となっている。電子デバイス用III−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャルウエハでは、単結晶基板１０上に積層するエピタキシャル層内に格子不整合に起因した歪みを導入させることによって、電子の移動度を向上させ（高速化）、それによって光通信ＩＣ用高速デバイスへの応用を実現している。
【００４９】
また、化合物半導体レーザー（ＬＤ：Laser Diode）用のエピタキシャルウエハにおいても、発光層領域を構成する量子井戸活性層内に格子不整合に起因した歪みを内包させており、その発光構造設計によってＬＤの機能性向上および特性の制御、すなわち低しきい値化や高速化、高出力化などが実現されている。ＭＯＶＰＥ法では、単原子オーダーで界面を急峻に切り替えることが可能で、その確立された技術を用いて種々のへテロ接合を作ることによって、格子不整合に起因した歪みを内包させて良好な特性（高出力化や高速化など）を実現させている。
【００５０】
これに対し、ＧａＡｓＰ混晶エピタキシャル層の成長に一般的に用いられるハイドライド気相エピタキシャル法では急峻な界面を作る技術を保有しておらず、ヘテロ接合的な概念はなく、一般にはｐ層１４を拡散で形成したホモ接合型のＬＥＤとして使われていた。ＧａＡｓＰの組成一定層１３内に意図的に歪みを導入させることで、応答速度を高速化できると予想されるが、その実現方法は知られていなかった。
【００５１】
本発明では、組成一定層１３をエピタキシャル成長させる際の基板温度Ｔを降下させることで、形成される組成一定層１３の結晶構造に歪みが生じ、その結果、光出力の高出力化と応答速度の高速化とを図ることができたものと考えられる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＬＥＤ用の材料として用いた際に、高い発光出力と高速な応答時間とを両立できるエピタキシャルウェハを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＧａＡｓ_1-xＰ_xエピタキシャルウエハの構成を示す断面図である。
【図２】実施例１に係るエピタキシャルウエハの製造プロセスにおける経過時間と基板温度との関係を示すグラフ図である。
【図３】実施例２に係るエピタキシャルウエハの製造プロセスにおける経過時間と基板温度との関係を示すグラフ図である。
【図４】実施例３に係るエピタキシャルウエハの製造プロセスにおける経過時間と基板温度との関係を示すグラフ図である。
【図５】比較例１に係るエピタキシャルウエハの製造プロセスにおける経過時間と基板温度との関係を示すグラフ図である。
【符号の説明】
１０…単結晶基板、１１…ホモ層、１２…組成変化層、１３…組成一定層、１４…ｐ層

Claims

基板の基板温度ＴをＴ２に設定し、
前記基板の基板温度Ｔを前記Ｔ２よりも低いＴ３まで降下させ、
前記基板温度Ｔの降下プロセス中に、前記基板の上にＧａＡｓ _１−ｘＰ _ｘ（０＜ｘ＜１）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなり、ｐｎ接合が形成される組成一定層をエピタキシャル成長させること
を特徴とするエピタキシャルウエハの製造方法。
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＧａＡｓ_１−ｘＰ_ｘ（０＜ｘ≦０．４５）であることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
前記Ｔ２が、
７３０℃＜Ｔ２＜８２０℃
の範囲より選定され、
前記Ｔ３が、
７００℃＜Ｔ３＜８００℃
の範囲より選定されると共に、
前記Ｔ２とＴ３との温度差が３〜１００℃に設定されることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
前記組成一定層のエピタキシャル成長は、ハロゲン輸送法によってなされることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
前記ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、ＧａＡｓ_１−ｘＰ_ｘ（０＜ｘ≦０．４５）であり、
前記組成一定層のエピタキシャル成長時に供給する周期律表第ＩＩＩ族のＧａと周期律表第Ｖ族のＡｓ及びＰの原子数モル比［Ｇａ］／［Ａｓ＋Ｐ］が、０．２〜１．０の範囲に設定されること
を特徴とする請求項４に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
前記組成一定層に当該組成一定層のキャリアとは逆極性のキャリアを有する接合層を形成することを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
前記基板は、
単結晶基板の基板温度Ｔを前記Ｔ２よりも低いＴ１に設定し、
前記単結晶基板の基板温度Ｔを前記Ｔ１から前記Ｔ２まで上昇させ、
前記基板温度Ｔの上昇プロセス中に、前記単結晶基板の上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる組成変化層をエピタキシャル成長させたものであること
を特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
前記Ｔ１が、
７００℃＜Ｔ１＜８２０℃
の範囲より選定され、
前記Ｔ２が、
７３０℃＜Ｔ２＜８２０℃
の範囲より選定され、
前記Ｔ３が、
７００℃＜Ｔ３＜８００℃
の範囲より選定されることを特徴とする請求項７に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
前記Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３が、
Ｔ３＜Ｔ１＜Ｔ２
なる関係を有していることを特徴とする請求項７に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
前記基板温度Ｔの上昇プロセスは、当該基板温度ＴをＴ１からＴ２へと上昇させた後、当該基板温度ＴをＴ２で保持するものであることを特徴とする請求項７に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
前記基板温度ＴをＴ２からＴ３まで降下させながらエピタキシャル成長させた部位が、前記組成一定層の表面から１０μｍ未満に形成されることを特徴とする請求項１に記載のエピタキシャルウエハの製造方法。