エピタキシャルウェーハ
【課題】更なる光出力の向上と良好なオーミック電極の形成を可能にする最適なｐ型層の構造を有するエピタキシャルウェーハを提供する。
【解決手段】少なくとも、基板と、該基板上にエピタキシャル成長によって形成されたｎ型層および該ｎ型層上にｐ型層とを有するエピタキシャルウェーハにおいて、前記ｎ型層および前記ｐ型層はＧａＡｓＰまたはＧａＰであり、前記ｐ型層は少なくとも第１ｐ型層と該第１ｐ型層より上に第２ｐ型層とを有し、前記第１ｐ型層のキャリア濃度は５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３、前記第２ｐ型層のキャリア濃度は７×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３であることを特徴とするエピタキシャルウェーハ。
【解決手段】少なくとも、基板と、該基板上にエピタキシャル成長によって形成されたｎ型層および該ｎ型層上にｐ型層とを有するエピタキシャルウェーハにおいて、前記ｎ型層および前記ｐ型層はＧａＡｓＰまたはＧａＰであり、前記ｐ型層は少なくとも第１ｐ型層と該第１ｐ型層より上に第２ｐ型層とを有し、前記第１ｐ型層のキャリア濃度は５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３、前記第２ｐ型層のキャリア濃度は７×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３であることを特徴とするエピタキシャルウェーハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエピタキシャルウェーハに関し、具体的には、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと言う）用の半導体エピタキシャルウェーハに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化合物半導体が光半導体素子材料として多く利用されている。そして、この半導体材料としては、単結晶基板上に所望の半導体結晶の層をエピタキシャル成長したものを用いている。これは、現在入手可能なもので基板として用いられる結晶は、欠陥が多く、純度も低いため、そのまま発光素子として使用することが困難なためであり、そのため、基板上に所望の発光波長を得るための組成の層をエピタキシャル成長させている。主としてこのエピタキシャル成長層は、３元混晶層が用いられている。そしてエピタキシャル成長は、通常、気相成長ないし液相成長法が使用されている。気相成長法では、石英製のリアクター内にグラファイト製、または石英製のホルダーを配置して基板を保持し、原料ガスを流し加熱する方法によってエピタキシャル成長を行っている。
【０００３】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、可視光、赤外の波長に相当するバンドギャップを有するため、発光素子への応用がなされている。その中でも、ＧａＡｓＰ、ＧａＰは特にＬＥＤ材料として広く用いられている。
【０００４】
ＧａＡｓ１−ｘＰｘを例にとって説明すると、ＧａＡｓ１−ｘＰｘ（０．４５＜ｘ＜１）は伝導電子を捕獲するアイソ・エレクトロニック・トラップとして窒素（Ｎ）をドープすることにより、発光ダイオードとしての光出力を１０倍程度向上させることができる。そのため、通常、ＧａＰ基板上に成長したＧａＡｓ１−ｘＰｘ（０．４５＜ｘ＜１）には窒素をドープする。
【０００５】
図５にＧａＡｓＰエピタキシャルウェーハの従来の構成例を示す。気相成長法では、反応器中に原料ガスを流し、ｎ型のＧａＰ基板２１上にｎ型エピタキシャル層２２を成長させる。この場合、基板とエピタキシャル層の格子定数の違いによる格子歪が発生しないように、組成を段階的に変化させた組成変化ＧａＡｓＰ層２２ａを中間層として設けて一定組成ＧａＡｓＰ層２２ｂ、アイソ・エレクトロニック・トラップとして窒素（Ｎ）をドープした一定組成ＮドープＧａＡｓＰ層２２ｃを形成する。その後の加工工程で熱拡散により高濃度に亜鉛を拡散させて、エピタキシャル層表面に４〜１０μｍ程度のｐ型層２３を形成する。これにより良好なオーミック接触を安定に得ることができる。
【０００６】
ここで、熱拡散法は一度に数十〜百枚程度のエピタキシャルウェーハを一度に処理でき、コスト的に有利なため、一般には、気相成長法によりｎ型の層だけ成長したあとで熱拡散法によりｐ型層を形成している。
これにより安定的にＬＥＤを得ることができるが、ｐｎ接合部のｐ型層のキャリア濃度が高くなりすぎて光吸収が増加し、ＬＥＤの光出力の低下をまねいてしまう。また、ｐｎ接合部が熱ダメージを受けてエピタキシャル層の結晶の品質が低下してしまう。著しく拡散温度を低くすればこれらの問題は解決するものの、ｐ型層の厚さが薄くなりすぎ、表面のキャリア濃度の低下により良好なオーミック接触を得にくい。
【０００７】
そこで、ｐ型層を第１ｐ型層と第２ｐ型層の２層からなる構造とし、かつ第１ｐ型層のキャリア濃度を５×１０１７〜５×１０１８／ｃｍ３、第２ｐ型層のキャリア濃度を５×１０１８／ｃｍ３以上として第２ｐ型層の表面に電極を形成させることによって、良好なオーミック接触とＬＥＤの光出力の向上を実現しようというエピタキシャルウェーハが開示されている（特許文献１参照）。また、第１ｐ型層のキャリア濃度を５×１０１６〜２．２×１０１８／ｃｍ３、第２ｐ型層のキャリア濃度を５×１０１７〜４．５×１０１８／ｃｍ３、かつ（第２ｐ型層のキャリア濃度）≧２×（第１ｐ型層のキャリア濃度）としたエピタキシャルウェーハも開示されている（特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】特許第３１４３０４０号公報
【特許文献２】特開２００１−３６１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述のエピタキシャルウェーハに比べて、更なる光出力の向上と良好なオーミック電極の形成を可能にする最適なｐ型層の構造を有するエピタキシャルウェーハを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、基板と、該基板上にエピタキシャル成長によって形成されたｎ型層および該ｎ型層上にｐ型層とを有するエピタキシャルウェーハにおいて、前記ｎ型層および前記ｐ型層はＧａＡｓＰまたはＧａＰであり、前記ｐ型層は少なくとも第１ｐ型層と該第１ｐ型層より上に第２ｐ型層とを有し、前記第１ｐ型層のキャリア濃度は５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３、前記第２ｐ型層のキャリア濃度は７×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３であることを特徴とするエピタキシャルウェーハを提供する（請求項１）。
【００１１】
このように、本発明では少なくとも第１ｐ型層と第２ｐ型層とからなるｐ型層とｎ型層とを有するエピタキシャルウェーハの第１ｐ型層のキャリア濃度を５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３、第２ｐ型層のキャリア濃度を７×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３とする。
第１ｐ型層のキャリア濃度を上述の範囲とすることによって、より高い光出力を得るのに最適なｐｎ接合面を形成することができ、よって従来に比べて光出力を向上させることができる。
また第２ｐ型層のキャリア濃度を上述の範囲とするによって、表面のキャリア濃度の低下を抑制することができるため、良好なオーミック電極を安定して形成することができる。よって、ＬＥＤとした時の順方向電圧のバラツキの発生や増加を抑制することができる。また光吸収が増加することを抑制することができるキャリア濃度範囲とすることができるため、光出力を向上させたエピタキシャルウェーハとすることができる。
【００１２】
また、前記ｐ型層は、前記第１ｐ型層と前記第２ｐ型層の間に第３ｐ型層を有し、該第３ｐ型層のキャリア濃度は３×１０１７〜１×１０１８／ｃｍ３とすることが好ましい（請求項２）。
このように、第１ｐ型層と第２ｐ型層の間に、キャリア濃度が上述の範囲である第３ｐ型層を設けることによって、ｐ型層内のキャリア濃度分布を、光出力がより向上させることができる分布とすることができ、よってＬＥＤとしたときに光出力をより向上させることができる。
【００１３】
また、前記ｎ型層および前記ｐ型層のシリコン濃度は１×１０１４〜１．５×１０１５／ｃｍ３とすることが好ましい（請求項３）。
このように、不純物となるシリコン濃度を上述の範囲とすることによって、キャリアのライフタイム（寿命）を向上させることができ、また発光輝度の低下を抑制することができ、よってより高品質なＬＥＤとすることのできるエピタキシャルウェーハとすることができる。
【００１４】
また、前記第１ｐ型層は、前記基板側から表面側に徐々にキャリア濃度が５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３の濃度範囲で上昇する濃度分布を有することが好ましい（請求項４）。
このように、第１ｐ型層のキャリア濃度を急激に上昇させるのではなく、５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３の濃度範囲で徐々に上昇させることによって、格子定数の違いに起因する格子歪みが発生することをより抑制させることによって、第１ｐ型層の結晶性が低下することを抑制することができ、よって製造歩留りを向上させることができる。
【００１５】
また、前記第１ｐ型層の層厚が、４〜５０μｍであることが好ましい（請求項５）。
このように第１ｐ型層の層厚を４〜５０μｍの範囲内とすることによって、ＬＥＤとしたときに電流拡散層を十分に確保することができ、よって、電流が十分に広がるため、光出力を更に増大させることができる。
【００１６】
また、前記ｎ型層および前記ｐ型層は、ＧａＡｓ１−ｘＰｘ（０．４５＜ｘ＜１）であり、かつ前記基板はＧａＰとすることができる（請求項６）。
このように、本発明のエピタキシャルウェーハでは、光出力を従来に比べて向上させることのできるキャリア濃度分布構造となっているため、ｎ型層やｐ型層として従来から用いられている上述のような組成のＧａＡｓＰとすることができ、また基板をＧａＰとすることができ、利用価値が高い。
【００１７】
また、前記ｎ型層と前記ｐ型層のうち、少なくとも一方に窒素がドープされていることが好ましい（請求項７）。
このように、ｎ型層とｐ型層のうち少なくとも一方に、伝導電子を捕獲するアイソ・エレクトロニック・トラップとして窒素をドープすることによって、発光ダイオードとしての光出力を１０倍程度向上することができるエピタキシャルウェーハとすることができる。
【００１８】
また、前記ｐ型層のｐ型ドーパントが、亜鉛またはマグネシウム、またはその両方であることとすることができる（請求項８）。
ｐ型ドーパントとして亜鉛、マグネシウム等が挙げられるが、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）などの有機金属化合物を反応器内に供給することができる。そして高濃度のキャリア濃度を得ることができ、気相成長だけで本発明のキャリア濃度と層厚の構成を実現できる。
【００１９】
また、前記ｎ型層および前記ｐ型層が、ハイドライド法によって形成されたものとすることが好ましい（請求項９）。
このように、量産性に富むハイドライド法によってｎ型層およびｐ型層が形成されたエピタキシャルウェーハとすることで、高純度・高品質のｎ型層およびｐ型層を有するエピタキシャルウェーハを得ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明のエピタキシャルウェーハは、ｐｎ接合を有するエピタキシャルウェーハのｐ型層を少なくとも２段階のキャリア濃度をもつ構造としたため、ｐｎ接合側のキャリア濃度を抑制することによって高い光出力を得ることができる。また、表面側（第２ｐ型層側）のキャリア濃度を高くすることによって良好なオーミック接触を得ることができる濃度範囲とすることができ、以上のことから、ＬＥＤとしたときに光出力の強いものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、従来に比べて更なる光出力の向上と良好なオーミック電極の形成を可能にする最適なｐ型層の構造を有するエピタキシャルウェーハの開発が待たれていた。
【００２２】
そこで、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、ＬＥＤの特性を決定する最も大きな要因であるキャリア濃度を最適化することで、良好なオーミック接触を安定に実現でき、かつ、従来よりもＬＥＤの光出力が３０％以上向上することを発見し、本発明を完成させた。
【００２３】
以下、本発明について図１を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は本発明のエピタキシャルウェーハの構成の一例を示した概略図である。
【００２４】
図１において、エピタキシャルウェーハ１０は、少なくとも基板１１と、該基板１１上にエピタキシャル成長によって形成されたｎ型層１２と、該ｎ型層１２上のｐ型層１３とを有している。そしてｎ型層１２とｐ型層１３は、ＧａＡｓＰまたはＧａＰからなっており、またｐ型層１３は少なくとも第１ｐ型層１３ａと、該第１ｐ型層１３ａより上の第２ｐ型層１３ｂとを有している。第１ｐ型層１３ａのキャリア濃度は５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３の範囲であり、第２ｐ型層１３ｂのキャリア濃度は７×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３となっている。
また、ｎ型層１２は、少なくとも組成変化層１２ａ、一定組成層１２ｂ、窒素濃度増加層１２ｃ、窒素濃度一定層１２ｄから構成されるものである。
【００２５】
このように、ｎ型層と少なくとも第１ｐ型層と第２ｐ型層とからなるｐ型層とを有するエピタキシャルウェーハにおいて、第１ｐ型層のキャリア濃度を５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３、第２ｐ型層のキャリア濃度を７×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３とする。
第１ｐ型層１３ａのキャリア濃度を５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３とすることによって、より高い光出力を得ることのできるｐｎ接合面を得ることができるため、ＬＥＤとしたときの発光強度を従来に比べて強くすることができる。第１ｐ型層１３ａのキャリア濃度が５×１０１６／ｃｍ３より小さい、もしくは３×１０１７／ｃｍ３より大きい場合は、発光強度を十分に強くすることができないため、第１ｐ型層１３ａのキャリア濃度は、上述の範囲とする。
また、第２ｐ型層１３ｂのキャリア濃度を７×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３とすることによって、電極を形成した際に良好なオーミック接触を得ることができる。第２ｐ型層１３ｂのキャリア濃度が７×１０１８／ｃｍ３より小さい場合、良好なオーミック接触を得ることができなく、また３×１０１９／ｃｍ３より大きい場合は、エピタキシャルウェーハの作製が困難となるため、第２ｐ型層１３ｂのキャリア濃度は上述の範囲とする。
【００２６】
基板１１は、少なくとも単結晶基板１１ａと基板バッファー層１１ｂという構造とすることが望ましい。このような構造で有れば、該基板１１上にｎ型層１２をエピタキシャル成長法によって形成する際に、基板１１とｎ型層１２の組成が異なるために、格子定数の違いによる結晶欠陥が導入されることを抑制することができる。
【００２７】
ここで、図１（Ｂ）のようにｐ型層１３の第１ｐ型層１３ａと第２ｐ型層１３ｂの間に、キャリア濃度が３×１０１７〜１×１０１８／ｃｍ３の第３ｐ型層１３ｃを有するものとすることができる。
このように、第１ｐ型層と第２ｐ型層の間に、キャリア濃度が３×１０１７〜１×１０１８／ｃｍ３の範囲である第３ｐ型層を設けることによって、ｐ型層内のキャリア濃度分布を、光出力がより向上させることができる分布とすることができ、よってＬＥＤとした時に光出力を向上させることができる。
【００２８】
また、ｎ型層１２とｐ型層１３のシリコン濃度が１×１０１４〜１．５×１０１５／ｃｍ３の範囲とすることができる。
このように、不純物となるシリコン濃度を上述の範囲とすることによって、キャリアのライフタイム（寿命）を向上させることができる。また、発光輝度の低下を抑制することができ、よってより高品質・長寿命なＬＥＤとすることのできるエピタキシャルウェーハとすることができる。
このシリコン濃度を上記範囲のようにする方法については、例えば特開２００２−２５５６９６号公報にあるように、反応容器内に導入するＨＣｌガスの水分量を導入直前段階において５ｐｐｍ以下にすることなどが挙げられる。
【００２９】
更に、第１ｐ型層１３ａは、基板１１側からエピタキシャルウェーハ１０の表面側に向けて徐々にキャリア濃度が５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３の濃度範囲で上昇する濃度分布を有することができる。
このように、第１ｐ型層のキャリア濃度を急激に上昇させるのではなく、徐々に上昇させることによって、格子定数の違いに起因する格子歪みが発生することをより抑制させることによって、第１ｐ型層の結晶性が低下することを抑制し、光出力を更に向上させることができる。
【００３０】
そして、第１ｐ型層１３ａの層厚は、４〜５０μｍの範囲とすることができる。
このように第１ｐ型層の層厚を４〜５０μｍの範囲内とすることによって、ＬＥＤとしたときに電流が十分に広がるため、光出力を更に増大させることができる。
【００３１】
そして、ｎ型層１２とｐ型層１３は、ＧａＡｓ１−ｘＰｘ（０．４５＜ｘ＜１）であり、かつ基板１１はＧａＰからなるものとすることができる。
このように、本発明のエピタキシャルウェーハでは、光出力を従来に比べて向上させることのできるキャリア濃度分布構造となっており、その他の構成は従来と同じにすることができるため、ｎ型層やｐ型層として上述のような組成のＧａＡｓＰとすることができ、また基板をＧａＰとすることができる。従って、簡単な構成で高品質とすることが出来る。
【００３２】
また、ｎ型層１２およびｐ型層１３のうち、少なくとも一方に窒素がドープされていることとすることができる。
このように、ｎ型層とｐ型層のうち少なくとも一方に、伝導電子を捕獲するアイソ・エレクトロニック・トラップとして窒素をドープすることによって、発光ダイオードとしての光出力を１０倍程度向上することができるエピタキシャルウェーハとすることができる。
【００３３】
更に、ｐ型層１３のｐ型ドーパントが、亜鉛又はマグネシウム、又はその両方であることとすることができる。
ｐ型ドーパントとしては特に限定されないが、亜鉛、マグネシウム等が挙げられる。例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）等の有機金属化合物を反応器内に供給することでドープすることができる。そして高濃度のキャリア濃度を得ることができ、気相成長だけで本発明のキャリア濃度と層厚の構成を実現できる。
【００３４】
ｎ型層１２およびｐ型層１３は、ハイドライド法によって形成されたものとすることができる。
気相成長法は、有機金属気相法（ＭＯ−ＣＶＤ）、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）、ハロゲン輸送法などでも有効であるが、特にハイドライド法が量産性に富み、高純度の結晶を得られることから好ましい。
【００３５】
このように、本発明のエピタキシャルウェーハによれば、ｐｎ接合を有するエピタキシャルウェーハのｐ型層を少なくとも２段階のキャリア濃度をもつ構造としたため、ｐｎ接合側のキャリア濃度を抑制することによって高い光出力を得ることができる。また、表面側（第２ｐ型層側）のキャリア濃度を高くすることによって良好なオーミック接触を得ることができ、以上のことから、ＬＥＤとしたときに光出力の強いものとすることができる。
【実施例】
【００３６】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、もちろん本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
ＧａＰ基板および高純度ガリウム（Ｇａ）を、Ｇａ溜め用石英ボート付きのエピタキシャル・リアクター内の所定の場所に、それぞれ設置した。ＧａＰ基板はテルル（Ｔｅ）が３〜１０×１０１７／ｃｍ３添加され、直径５０ｍｍの円形で、（１００）面から〔０１１〕方向に１０°偏位した面をもつＧａＰ基板を用い、これらを同時にホルダー上に配置し、ホルダーは毎分３回転させた。次に、窒素（Ｎ２）ガスを該リアクター内に２０分間導入し、空気を十分置換除去した後、キャリヤ・ガスとして高純度水素（Ｈ２）を毎分６５００ｓｃｃｍ導入し、Ｎ２の流れを止め昇温工程に入った。上記Ｇａ入り石英ボート設置部分およびＧａＰ単結晶基板設置部分の温度が、それぞれ８００℃および９３０℃一定に保持されていることを確認した後、尖頭発光波長５８５±１０ｎｍのＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル膜の気相成長を開始した。
【００３７】
最初、濃度５０ｐｐｍに水素ガスで希釈したｎ型不純物である硫化水素ガス（Ｈ２Ｓ）を毎分３２８ｓｃｃｍ導入し、周期律表第ＩＩＩ族元素成分原料としてのＧａＣｌを毎分１１８ｓｃｃｍ生成させるため、高純度塩化水素ガス（ＨＣｌ）を上記石英ボート中のＧａ溜に毎分１１８ｓｃｃｍ吹き込み、Ｇａ溜上表面より吹き出させた。他方、周期律表第Ｖ族元素成分として、高純度りん化水素ガス（ＰＨ３）を毎分４９ｓｃｃｍ導入しつつ、４５分間にわたり、第１層であるＧａＰバッファー層をＧａＰ単結晶基板上に成長させた。
【００３８】
次に、ＨＣｌの導入量を変えることなく、高純度ひ化水素ガス（ＡｓＨ３）の導入量を毎分０ｓｃｃｍから毎分４．７ｓｃｃｍまで徐々に増加させ、また同時にＨ２Ｓの導入量を毎分１９１ｓｃｃｍに、ＰＨ３の導入量を毎分４７ｓｃｃｍに減少させて、４２分間にわたり第２のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層を第１のＧａＰバッファー層上に成長させた（ｎ型層−組成変化層）。
【００３９】
次に、ＨＣｌ、ＡｓＨ３、ＰＨ３の導入量を変えることなく、Ｈ２Ｓの導入量を毎分１９１ｓｃｃｍから毎分６５ｓｃｃｍまで徐々に減少させて、３２分間にわたり第３のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層を第２のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層上に成長させた（ｎ型層−組成一定層）。
【００４０】
次の３０分間は、ＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３の導入量を変えることなく、これに窒素アイソ・エレクトロニック・トラップ添加用として毎分１６１ｓｃｃｍまで導入量を漸増させて高純度アンモニアガス（ＮＨ３）を導入して、また同時にＨ２Ｓガスの導入をやめてから、第４のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層を第３のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層上に成長させた（ｎ型層−窒素濃度増加層）。このときの窒素ドープ量は３×１０１８／ｃｍ３であった。
【００４１】
次の３０分間はＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＮＨ３の量を変えることなく導入しながら、第５のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層を第４のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層上に成長させた（ｎ型層−窒素濃度一定組成層）。
【００４２】
そして、次の４０分間はＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＮＨ３の量を変えることなく、Ｈ２ガスによって０．４％に希釈したＤＭＺｎガスをｐ型ドーパントとして毎分１．７ｓｃｃｍ導入して、第６のｐ型のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層を第５のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層上に成長させた（第１ｐ型層）。
【００４３】
そして、最後の３０分間はＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３の量を変えることなく、ＤＭＺｎガスの導入量を毎分２００ｓｃｃｍにし、かつＮＨ３の導入をやめた状態で、第７のｐ型のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層を第６のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層上に成長させ、気相成長を終了した（第２ｐ型層）。
第１ｐ型層、第２ｐ型層の膜厚はそれぞれ６μｍ、４μｍであった。
また、ｐ型層のキャリア濃度は第１ｐ型層は２．３×１０１７／ｃｍ３、第２ｐ型層は２×１０１９／ｃｍ３であった。
【００４４】
作製したエピタキシャルウェーハについて、それぞれ以下のような評価を行った。
まず、作製したエピタキシャルウェーハのｐ型層中のキャリア濃度を評価するため、次のような評価を行った。
作製したエピタキシャルウェーハの中心部分から１ｃｍ角程度のＣｈｉｐを切り出し、ＳＥＭにてｐ型層の厚さを測定した。その後、切り出したＣｈｉｐの四隅に電極を取り付け、Ｈａｌｌ測定によってキャリア濃度を測定した。また、オーミック性の評価行うため、電気的特性曲線を作成した。
次に光出力の評価のため、以下のような手順の評価を行った。
作製したエピタキシャルウェーハを取り出し、裏面ラップを行った。その後、ウェーハ裏面にｎ型電極を形成し、表面のエピ層にｐ型電極を形成した。そして、３００μｍピッチでＣｈｉｐサイズにカットした。その後、ウェーハの外周側から５ｍｍ付近（ＯＦ部及び反ＯＦ部）と、ウェーハ中心部の３箇所から２個ずつ計６個Ｃｈｉｐを取り出した。取り出したＣｈｉｐからランプを作製した。その後、室温、通常湿度状態で作製したランプに直流電流２０ｍＡを流した時の全方位光出力を積分球にて測定した。また、残光率の測定は、全方位光出力の測定が終了したランプに室温、通常湿度状態にて直流電流９５ｍＡを流し、所定の時間経過後、直流電流２０ｍＡを流したときの全方位光出力を積分球にて測定し、先の作製直後の時の値と比較することによって行った。
【００４５】
（実施例２−４、比較例１−３）
実施例１において、第１ｐ型層のキャリア濃度が、各々５×１０１６／ｃｍ３（実施例２）、１．５×１０１７／ｃｍ３（実施例３）、３×１０１７／ｃｍ３（実施例４）、６×１０１７／ｃｍ３（比較例１）、３×１０１６／ｃｍ３（比較例２）、１×１０１８／ｃｍ３（比較例３）となるようにＤＭＺｎガスの導入量を調整して第１ｐ型層の形成を行った以外は実施例１と同様の条件でエピタキシャルウェーハの作製を行い、同様の評価を行った。このとき各々のエピタキシャルウェーハの光出力の評価を行った結果を図２に示す。
【００４６】
図２に示すように、第１ｐ型層のキャリア濃度が５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３の各々実施例２−４のエピタキシャルウェーハをＬＥＤにした際の発光強度はいずれも０．０４ｍＷを超えており、従来の範囲である比較例１（０．０３５ｍＷ）や比較例３（０．０２７ｍＷ）に比べて大きな発光強度となった。また、キャリア濃度が３×１０１６／ｃｍ３である比較例２の発光強度（０．０３５ｍＷ）では、該層のキャリア濃度が低いためにＬＥＤとしたときの発光強度が弱くなることが分かった。
【００４７】
（実施例５、６、７、比較例４）
実施例１において、第２ｐ型層のキャリア濃度が、各々１×１０１９／ｃｍ３（実施例５）、７×１０１８／ｃｍ３（実施例６）、３×１０１９／ｃｍ３（実施例７）、５×１０１８／ｃｍ３（比較例４）となるようにＤＭＺｎガスの導入量を調整して第２ｐ型層の形成を行った以外は実施例１と同様の条件でエピタキシャルウェーハの作製を行い、同様の評価を行った。このとき各々のエピタキシャルウェーハの電気的特性曲線を図３に示す。
【００４８】
このように、第２ｐ型層のキャリア濃度を７×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３の範囲とすることによって、ＬＥＤとした際に、良好なオーミック電極を安定して形成することができることが分かった。これに対し、上記の範囲外である比較例４では、良好なオーミック電極が作製できなかったことが分かった。
【００４９】
（実施例８）
実施例１において、第１ｐ型層を形成する際に導入するＤＭＺｎガスの導入量を毎分０．８ｓｃｃｍから毎分４ｓｃｃｍまで増加させて３９分間エピタキシャル成長を行った。その後第２ｐ型層を形成する前に、ＤＭＺｎガスの導入量を毎分４ｓｃｃｍに固定した状態で、４０分間エピタキシャル成長によって第３ｐ型層を形成した。その後、導入するＤＭＺｎガスを毎分４ｓｃｃｍから毎分２００ｓｃｃｍまで増加させて４０分間、第２ｐ型層を形成した以外は実施例１と同様の条件でエピタキシャルウェーハを作製し、同様の評価を行った。
【００５０】
この実施例８のｐ型層のキャリア濃度は、第１ｐ型層は１×１０１７／ｃｍ３、第２ｐ型層は２×１０１９／ｃｍ３、第３ｐ型層は５×１０１７／ｃｍ３であった。また各層の厚さは、第１ｐ型層が３μｍ、第２ｐ型層が４μｍ、第３ｐ型層が１０μｍであった。
この実施例８のエピタキシャルウェーハをＬＥＤにした際のｃｈｉｐ出力は０．０６７（ｍＷ）であり、実施例１のエピタキシャルウェーハと比べて約１．４倍、従来のエピタキシャルウェーハである比較例１とは約１．９倍になっており、第１ｐ型層と第２ｐ型層の間に第３ｐ型層を設けることによってＬＥＤにした際の光出力を更に向上させることができることが分かった。
【００５１】
また、実施例１および実施例８のエピタキシャルウェーハをＬＥＤにした際の発光時間に対する残光率の関係を示した図を図４に示す。
このように実施例１、実施例８のエピタキシャルウェーハを用いたＬＥＤは、共に発光時間が１５０時間を越えても発光強度は発光開始時とほとんど変わらずむしろ若干増加していることが分かった。よって、本発明のエピタキシャルウェーハによれば、長時間の使用にも耐えうる高品質のＬＥＤとすることができることが分かった。
【００５２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明のエピタキシャルウェーハの構成の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例と比較例のエピタキシャルウェーハをＬＥＤにした際の第１ｐ型層のキャリア濃度に対する光出力を評価した時の図である。
【図３】本発明の実施例と比較例のエピタキシャルウェーハの表面の電極に電圧を印加した時の電流との関係を示した図である。
【図４】実施例におけるエピタキシャルウェーハをＬＥＤにした際の発光時間に対する残光率の関係を示したである。
【図５】従来のエピタキシャルウェーハの構成の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０…エピタキシャルウェーハ、 １１…基板、 １１ａ…単結晶基板、 １１ｂ…基板バッファー層、 １２…ｎ型層、 １２ａ…組成変化層、 １２ｂ…一定組成層、 １２ｃ…窒素濃度増加層、 １２ｄ…窒素濃度一定層、 １３…ｐ型層、 １３ａ…第１ｐ型層、 １３ｂ…第２ｐ型層、 １３ｃ…第３ｐ型層、
２１…ＧａＰ基板、 ２２…ｎ型層、 ２２ａ…組成変化ＧａＡｓＰ層、 ２２ｂ…一定組成ＧａＡｓＰ層、 ２２ｃ…一定組成ＮドープＧａＡｓＰ層、 ２３…ｐ型層。
【技術分野】
【０００１】
本発明はエピタキシャルウェーハに関し、具体的には、発光ダイオード（以下、ＬＥＤと言う）用の半導体エピタキシャルウェーハに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化合物半導体が光半導体素子材料として多く利用されている。そして、この半導体材料としては、単結晶基板上に所望の半導体結晶の層をエピタキシャル成長したものを用いている。これは、現在入手可能なもので基板として用いられる結晶は、欠陥が多く、純度も低いため、そのまま発光素子として使用することが困難なためであり、そのため、基板上に所望の発光波長を得るための組成の層をエピタキシャル成長させている。主としてこのエピタキシャル成長層は、３元混晶層が用いられている。そしてエピタキシャル成長は、通常、気相成長ないし液相成長法が使用されている。気相成長法では、石英製のリアクター内にグラファイト製、または石英製のホルダーを配置して基板を保持し、原料ガスを流し加熱する方法によってエピタキシャル成長を行っている。
【０００３】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、可視光、赤外の波長に相当するバンドギャップを有するため、発光素子への応用がなされている。その中でも、ＧａＡｓＰ、ＧａＰは特にＬＥＤ材料として広く用いられている。
【０００４】
ＧａＡｓ１−ｘＰｘを例にとって説明すると、ＧａＡｓ１−ｘＰｘ（０．４５＜ｘ＜１）は伝導電子を捕獲するアイソ・エレクトロニック・トラップとして窒素（Ｎ）をドープすることにより、発光ダイオードとしての光出力を１０倍程度向上させることができる。そのため、通常、ＧａＰ基板上に成長したＧａＡｓ１−ｘＰｘ（０．４５＜ｘ＜１）には窒素をドープする。
【０００５】
図５にＧａＡｓＰエピタキシャルウェーハの従来の構成例を示す。気相成長法では、反応器中に原料ガスを流し、ｎ型のＧａＰ基板２１上にｎ型エピタキシャル層２２を成長させる。この場合、基板とエピタキシャル層の格子定数の違いによる格子歪が発生しないように、組成を段階的に変化させた組成変化ＧａＡｓＰ層２２ａを中間層として設けて一定組成ＧａＡｓＰ層２２ｂ、アイソ・エレクトロニック・トラップとして窒素（Ｎ）をドープした一定組成ＮドープＧａＡｓＰ層２２ｃを形成する。その後の加工工程で熱拡散により高濃度に亜鉛を拡散させて、エピタキシャル層表面に４〜１０μｍ程度のｐ型層２３を形成する。これにより良好なオーミック接触を安定に得ることができる。
【０００６】
ここで、熱拡散法は一度に数十〜百枚程度のエピタキシャルウェーハを一度に処理でき、コスト的に有利なため、一般には、気相成長法によりｎ型の層だけ成長したあとで熱拡散法によりｐ型層を形成している。
これにより安定的にＬＥＤを得ることができるが、ｐｎ接合部のｐ型層のキャリア濃度が高くなりすぎて光吸収が増加し、ＬＥＤの光出力の低下をまねいてしまう。また、ｐｎ接合部が熱ダメージを受けてエピタキシャル層の結晶の品質が低下してしまう。著しく拡散温度を低くすればこれらの問題は解決するものの、ｐ型層の厚さが薄くなりすぎ、表面のキャリア濃度の低下により良好なオーミック接触を得にくい。
【０００７】
そこで、ｐ型層を第１ｐ型層と第２ｐ型層の２層からなる構造とし、かつ第１ｐ型層のキャリア濃度を５×１０１７〜５×１０１８／ｃｍ３、第２ｐ型層のキャリア濃度を５×１０１８／ｃｍ３以上として第２ｐ型層の表面に電極を形成させることによって、良好なオーミック接触とＬＥＤの光出力の向上を実現しようというエピタキシャルウェーハが開示されている（特許文献１参照）。また、第１ｐ型層のキャリア濃度を５×１０１６〜２．２×１０１８／ｃｍ３、第２ｐ型層のキャリア濃度を５×１０１７〜４．５×１０１８／ｃｍ３、かつ（第２ｐ型層のキャリア濃度）≧２×（第１ｐ型層のキャリア濃度）としたエピタキシャルウェーハも開示されている（特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】特許第３１４３０４０号公報
【特許文献２】特開２００１−３６１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上述のエピタキシャルウェーハに比べて、更なる光出力の向上と良好なオーミック電極の形成を可能にする最適なｐ型層の構造を有するエピタキシャルウェーハを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明では、少なくとも、基板と、該基板上にエピタキシャル成長によって形成されたｎ型層および該ｎ型層上にｐ型層とを有するエピタキシャルウェーハにおいて、前記ｎ型層および前記ｐ型層はＧａＡｓＰまたはＧａＰであり、前記ｐ型層は少なくとも第１ｐ型層と該第１ｐ型層より上に第２ｐ型層とを有し、前記第１ｐ型層のキャリア濃度は５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３、前記第２ｐ型層のキャリア濃度は７×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３であることを特徴とするエピタキシャルウェーハを提供する（請求項１）。
【００１１】
このように、本発明では少なくとも第１ｐ型層と第２ｐ型層とからなるｐ型層とｎ型層とを有するエピタキシャルウェーハの第１ｐ型層のキャリア濃度を５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３、第２ｐ型層のキャリア濃度を７×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３とする。
第１ｐ型層のキャリア濃度を上述の範囲とすることによって、より高い光出力を得るのに最適なｐｎ接合面を形成することができ、よって従来に比べて光出力を向上させることができる。
また第２ｐ型層のキャリア濃度を上述の範囲とするによって、表面のキャリア濃度の低下を抑制することができるため、良好なオーミック電極を安定して形成することができる。よって、ＬＥＤとした時の順方向電圧のバラツキの発生や増加を抑制することができる。また光吸収が増加することを抑制することができるキャリア濃度範囲とすることができるため、光出力を向上させたエピタキシャルウェーハとすることができる。
【００１２】
また、前記ｐ型層は、前記第１ｐ型層と前記第２ｐ型層の間に第３ｐ型層を有し、該第３ｐ型層のキャリア濃度は３×１０１７〜１×１０１８／ｃｍ３とすることが好ましい（請求項２）。
このように、第１ｐ型層と第２ｐ型層の間に、キャリア濃度が上述の範囲である第３ｐ型層を設けることによって、ｐ型層内のキャリア濃度分布を、光出力がより向上させることができる分布とすることができ、よってＬＥＤとしたときに光出力をより向上させることができる。
【００１３】
また、前記ｎ型層および前記ｐ型層のシリコン濃度は１×１０１４〜１．５×１０１５／ｃｍ３とすることが好ましい（請求項３）。
このように、不純物となるシリコン濃度を上述の範囲とすることによって、キャリアのライフタイム（寿命）を向上させることができ、また発光輝度の低下を抑制することができ、よってより高品質なＬＥＤとすることのできるエピタキシャルウェーハとすることができる。
【００１４】
また、前記第１ｐ型層は、前記基板側から表面側に徐々にキャリア濃度が５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３の濃度範囲で上昇する濃度分布を有することが好ましい（請求項４）。
このように、第１ｐ型層のキャリア濃度を急激に上昇させるのではなく、５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３の濃度範囲で徐々に上昇させることによって、格子定数の違いに起因する格子歪みが発生することをより抑制させることによって、第１ｐ型層の結晶性が低下することを抑制することができ、よって製造歩留りを向上させることができる。
【００１５】
また、前記第１ｐ型層の層厚が、４〜５０μｍであることが好ましい（請求項５）。
このように第１ｐ型層の層厚を４〜５０μｍの範囲内とすることによって、ＬＥＤとしたときに電流拡散層を十分に確保することができ、よって、電流が十分に広がるため、光出力を更に増大させることができる。
【００１６】
また、前記ｎ型層および前記ｐ型層は、ＧａＡｓ１−ｘＰｘ（０．４５＜ｘ＜１）であり、かつ前記基板はＧａＰとすることができる（請求項６）。
このように、本発明のエピタキシャルウェーハでは、光出力を従来に比べて向上させることのできるキャリア濃度分布構造となっているため、ｎ型層やｐ型層として従来から用いられている上述のような組成のＧａＡｓＰとすることができ、また基板をＧａＰとすることができ、利用価値が高い。
【００１７】
また、前記ｎ型層と前記ｐ型層のうち、少なくとも一方に窒素がドープされていることが好ましい（請求項７）。
このように、ｎ型層とｐ型層のうち少なくとも一方に、伝導電子を捕獲するアイソ・エレクトロニック・トラップとして窒素をドープすることによって、発光ダイオードとしての光出力を１０倍程度向上することができるエピタキシャルウェーハとすることができる。
【００１８】
また、前記ｐ型層のｐ型ドーパントが、亜鉛またはマグネシウム、またはその両方であることとすることができる（請求項８）。
ｐ型ドーパントとして亜鉛、マグネシウム等が挙げられるが、例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）などの有機金属化合物を反応器内に供給することができる。そして高濃度のキャリア濃度を得ることができ、気相成長だけで本発明のキャリア濃度と層厚の構成を実現できる。
【００１９】
また、前記ｎ型層および前記ｐ型層が、ハイドライド法によって形成されたものとすることが好ましい（請求項９）。
このように、量産性に富むハイドライド法によってｎ型層およびｐ型層が形成されたエピタキシャルウェーハとすることで、高純度・高品質のｎ型層およびｐ型層を有するエピタキシャルウェーハを得ることができる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明のエピタキシャルウェーハは、ｐｎ接合を有するエピタキシャルウェーハのｐ型層を少なくとも２段階のキャリア濃度をもつ構造としたため、ｐｎ接合側のキャリア濃度を抑制することによって高い光出力を得ることができる。また、表面側（第２ｐ型層側）のキャリア濃度を高くすることによって良好なオーミック接触を得ることができる濃度範囲とすることができ、以上のことから、ＬＥＤとしたときに光出力の強いものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、従来に比べて更なる光出力の向上と良好なオーミック電極の形成を可能にする最適なｐ型層の構造を有するエピタキシャルウェーハの開発が待たれていた。
【００２２】
そこで、本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、ＬＥＤの特性を決定する最も大きな要因であるキャリア濃度を最適化することで、良好なオーミック接触を安定に実現でき、かつ、従来よりもＬＥＤの光出力が３０％以上向上することを発見し、本発明を完成させた。
【００２３】
以下、本発明について図１を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は本発明のエピタキシャルウェーハの構成の一例を示した概略図である。
【００２４】
図１において、エピタキシャルウェーハ１０は、少なくとも基板１１と、該基板１１上にエピタキシャル成長によって形成されたｎ型層１２と、該ｎ型層１２上のｐ型層１３とを有している。そしてｎ型層１２とｐ型層１３は、ＧａＡｓＰまたはＧａＰからなっており、またｐ型層１３は少なくとも第１ｐ型層１３ａと、該第１ｐ型層１３ａより上の第２ｐ型層１３ｂとを有している。第１ｐ型層１３ａのキャリア濃度は５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３の範囲であり、第２ｐ型層１３ｂのキャリア濃度は７×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３となっている。
また、ｎ型層１２は、少なくとも組成変化層１２ａ、一定組成層１２ｂ、窒素濃度増加層１２ｃ、窒素濃度一定層１２ｄから構成されるものである。
【００２５】
このように、ｎ型層と少なくとも第１ｐ型層と第２ｐ型層とからなるｐ型層とを有するエピタキシャルウェーハにおいて、第１ｐ型層のキャリア濃度を５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３、第２ｐ型層のキャリア濃度を７×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３とする。
第１ｐ型層１３ａのキャリア濃度を５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３とすることによって、より高い光出力を得ることのできるｐｎ接合面を得ることができるため、ＬＥＤとしたときの発光強度を従来に比べて強くすることができる。第１ｐ型層１３ａのキャリア濃度が５×１０１６／ｃｍ３より小さい、もしくは３×１０１７／ｃｍ３より大きい場合は、発光強度を十分に強くすることができないため、第１ｐ型層１３ａのキャリア濃度は、上述の範囲とする。
また、第２ｐ型層１３ｂのキャリア濃度を７×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３とすることによって、電極を形成した際に良好なオーミック接触を得ることができる。第２ｐ型層１３ｂのキャリア濃度が７×１０１８／ｃｍ３より小さい場合、良好なオーミック接触を得ることができなく、また３×１０１９／ｃｍ３より大きい場合は、エピタキシャルウェーハの作製が困難となるため、第２ｐ型層１３ｂのキャリア濃度は上述の範囲とする。
【００２６】
基板１１は、少なくとも単結晶基板１１ａと基板バッファー層１１ｂという構造とすることが望ましい。このような構造で有れば、該基板１１上にｎ型層１２をエピタキシャル成長法によって形成する際に、基板１１とｎ型層１２の組成が異なるために、格子定数の違いによる結晶欠陥が導入されることを抑制することができる。
【００２７】
ここで、図１（Ｂ）のようにｐ型層１３の第１ｐ型層１３ａと第２ｐ型層１３ｂの間に、キャリア濃度が３×１０１７〜１×１０１８／ｃｍ３の第３ｐ型層１３ｃを有するものとすることができる。
このように、第１ｐ型層と第２ｐ型層の間に、キャリア濃度が３×１０１７〜１×１０１８／ｃｍ３の範囲である第３ｐ型層を設けることによって、ｐ型層内のキャリア濃度分布を、光出力がより向上させることができる分布とすることができ、よってＬＥＤとした時に光出力を向上させることができる。
【００２８】
また、ｎ型層１２とｐ型層１３のシリコン濃度が１×１０１４〜１．５×１０１５／ｃｍ３の範囲とすることができる。
このように、不純物となるシリコン濃度を上述の範囲とすることによって、キャリアのライフタイム（寿命）を向上させることができる。また、発光輝度の低下を抑制することができ、よってより高品質・長寿命なＬＥＤとすることのできるエピタキシャルウェーハとすることができる。
このシリコン濃度を上記範囲のようにする方法については、例えば特開２００２−２５５６９６号公報にあるように、反応容器内に導入するＨＣｌガスの水分量を導入直前段階において５ｐｐｍ以下にすることなどが挙げられる。
【００２９】
更に、第１ｐ型層１３ａは、基板１１側からエピタキシャルウェーハ１０の表面側に向けて徐々にキャリア濃度が５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３の濃度範囲で上昇する濃度分布を有することができる。
このように、第１ｐ型層のキャリア濃度を急激に上昇させるのではなく、徐々に上昇させることによって、格子定数の違いに起因する格子歪みが発生することをより抑制させることによって、第１ｐ型層の結晶性が低下することを抑制し、光出力を更に向上させることができる。
【００３０】
そして、第１ｐ型層１３ａの層厚は、４〜５０μｍの範囲とすることができる。
このように第１ｐ型層の層厚を４〜５０μｍの範囲内とすることによって、ＬＥＤとしたときに電流が十分に広がるため、光出力を更に増大させることができる。
【００３１】
そして、ｎ型層１２とｐ型層１３は、ＧａＡｓ１−ｘＰｘ（０．４５＜ｘ＜１）であり、かつ基板１１はＧａＰからなるものとすることができる。
このように、本発明のエピタキシャルウェーハでは、光出力を従来に比べて向上させることのできるキャリア濃度分布構造となっており、その他の構成は従来と同じにすることができるため、ｎ型層やｐ型層として上述のような組成のＧａＡｓＰとすることができ、また基板をＧａＰとすることができる。従って、簡単な構成で高品質とすることが出来る。
【００３２】
また、ｎ型層１２およびｐ型層１３のうち、少なくとも一方に窒素がドープされていることとすることができる。
このように、ｎ型層とｐ型層のうち少なくとも一方に、伝導電子を捕獲するアイソ・エレクトロニック・トラップとして窒素をドープすることによって、発光ダイオードとしての光出力を１０倍程度向上することができるエピタキシャルウェーハとすることができる。
【００３３】
更に、ｐ型層１３のｐ型ドーパントが、亜鉛又はマグネシウム、又はその両方であることとすることができる。
ｐ型ドーパントとしては特に限定されないが、亜鉛、マグネシウム等が挙げられる。例えばジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）等の有機金属化合物を反応器内に供給することでドープすることができる。そして高濃度のキャリア濃度を得ることができ、気相成長だけで本発明のキャリア濃度と層厚の構成を実現できる。
【００３４】
ｎ型層１２およびｐ型層１３は、ハイドライド法によって形成されたものとすることができる。
気相成長法は、有機金属気相法（ＭＯ−ＣＶＤ）、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）、ハロゲン輸送法などでも有効であるが、特にハイドライド法が量産性に富み、高純度の結晶を得られることから好ましい。
【００３５】
このように、本発明のエピタキシャルウェーハによれば、ｐｎ接合を有するエピタキシャルウェーハのｐ型層を少なくとも２段階のキャリア濃度をもつ構造としたため、ｐｎ接合側のキャリア濃度を抑制することによって高い光出力を得ることができる。また、表面側（第２ｐ型層側）のキャリア濃度を高くすることによって良好なオーミック接触を得ることができ、以上のことから、ＬＥＤとしたときに光出力の強いものとすることができる。
【実施例】
【００３６】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、もちろん本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
ＧａＰ基板および高純度ガリウム（Ｇａ）を、Ｇａ溜め用石英ボート付きのエピタキシャル・リアクター内の所定の場所に、それぞれ設置した。ＧａＰ基板はテルル（Ｔｅ）が３〜１０×１０１７／ｃｍ３添加され、直径５０ｍｍの円形で、（１００）面から〔０１１〕方向に１０°偏位した面をもつＧａＰ基板を用い、これらを同時にホルダー上に配置し、ホルダーは毎分３回転させた。次に、窒素（Ｎ２）ガスを該リアクター内に２０分間導入し、空気を十分置換除去した後、キャリヤ・ガスとして高純度水素（Ｈ２）を毎分６５００ｓｃｃｍ導入し、Ｎ２の流れを止め昇温工程に入った。上記Ｇａ入り石英ボート設置部分およびＧａＰ単結晶基板設置部分の温度が、それぞれ８００℃および９３０℃一定に保持されていることを確認した後、尖頭発光波長５８５±１０ｎｍのＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル膜の気相成長を開始した。
【００３７】
最初、濃度５０ｐｐｍに水素ガスで希釈したｎ型不純物である硫化水素ガス（Ｈ２Ｓ）を毎分３２８ｓｃｃｍ導入し、周期律表第ＩＩＩ族元素成分原料としてのＧａＣｌを毎分１１８ｓｃｃｍ生成させるため、高純度塩化水素ガス（ＨＣｌ）を上記石英ボート中のＧａ溜に毎分１１８ｓｃｃｍ吹き込み、Ｇａ溜上表面より吹き出させた。他方、周期律表第Ｖ族元素成分として、高純度りん化水素ガス（ＰＨ３）を毎分４９ｓｃｃｍ導入しつつ、４５分間にわたり、第１層であるＧａＰバッファー層をＧａＰ単結晶基板上に成長させた。
【００３８】
次に、ＨＣｌの導入量を変えることなく、高純度ひ化水素ガス（ＡｓＨ３）の導入量を毎分０ｓｃｃｍから毎分４．７ｓｃｃｍまで徐々に増加させ、また同時にＨ２Ｓの導入量を毎分１９１ｓｃｃｍに、ＰＨ３の導入量を毎分４７ｓｃｃｍに減少させて、４２分間にわたり第２のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層を第１のＧａＰバッファー層上に成長させた（ｎ型層−組成変化層）。
【００３９】
次に、ＨＣｌ、ＡｓＨ３、ＰＨ３の導入量を変えることなく、Ｈ２Ｓの導入量を毎分１９１ｓｃｃｍから毎分６５ｓｃｃｍまで徐々に減少させて、３２分間にわたり第３のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層を第２のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層上に成長させた（ｎ型層−組成一定層）。
【００４０】
次の３０分間は、ＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３の導入量を変えることなく、これに窒素アイソ・エレクトロニック・トラップ添加用として毎分１６１ｓｃｃｍまで導入量を漸増させて高純度アンモニアガス（ＮＨ３）を導入して、また同時にＨ２Ｓガスの導入をやめてから、第４のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層を第３のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層上に成長させた（ｎ型層−窒素濃度増加層）。このときの窒素ドープ量は３×１０１８／ｃｍ３であった。
【００４１】
次の３０分間はＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＮＨ３の量を変えることなく導入しながら、第５のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層を第４のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層上に成長させた（ｎ型層−窒素濃度一定組成層）。
【００４２】
そして、次の４０分間はＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＮＨ３の量を変えることなく、Ｈ２ガスによって０．４％に希釈したＤＭＺｎガスをｐ型ドーパントとして毎分１．７ｓｃｃｍ導入して、第６のｐ型のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層を第５のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層上に成長させた（第１ｐ型層）。
【００４３】
そして、最後の３０分間はＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３の量を変えることなく、ＤＭＺｎガスの導入量を毎分２００ｓｃｃｍにし、かつＮＨ３の導入をやめた状態で、第７のｐ型のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層を第６のＧａＡｓ１−ｘＰｘエピタキシャル層上に成長させ、気相成長を終了した（第２ｐ型層）。
第１ｐ型層、第２ｐ型層の膜厚はそれぞれ６μｍ、４μｍであった。
また、ｐ型層のキャリア濃度は第１ｐ型層は２．３×１０１７／ｃｍ３、第２ｐ型層は２×１０１９／ｃｍ３であった。
【００４４】
作製したエピタキシャルウェーハについて、それぞれ以下のような評価を行った。
まず、作製したエピタキシャルウェーハのｐ型層中のキャリア濃度を評価するため、次のような評価を行った。
作製したエピタキシャルウェーハの中心部分から１ｃｍ角程度のＣｈｉｐを切り出し、ＳＥＭにてｐ型層の厚さを測定した。その後、切り出したＣｈｉｐの四隅に電極を取り付け、Ｈａｌｌ測定によってキャリア濃度を測定した。また、オーミック性の評価行うため、電気的特性曲線を作成した。
次に光出力の評価のため、以下のような手順の評価を行った。
作製したエピタキシャルウェーハを取り出し、裏面ラップを行った。その後、ウェーハ裏面にｎ型電極を形成し、表面のエピ層にｐ型電極を形成した。そして、３００μｍピッチでＣｈｉｐサイズにカットした。その後、ウェーハの外周側から５ｍｍ付近（ＯＦ部及び反ＯＦ部）と、ウェーハ中心部の３箇所から２個ずつ計６個Ｃｈｉｐを取り出した。取り出したＣｈｉｐからランプを作製した。その後、室温、通常湿度状態で作製したランプに直流電流２０ｍＡを流した時の全方位光出力を積分球にて測定した。また、残光率の測定は、全方位光出力の測定が終了したランプに室温、通常湿度状態にて直流電流９５ｍＡを流し、所定の時間経過後、直流電流２０ｍＡを流したときの全方位光出力を積分球にて測定し、先の作製直後の時の値と比較することによって行った。
【００４５】
（実施例２−４、比較例１−３）
実施例１において、第１ｐ型層のキャリア濃度が、各々５×１０１６／ｃｍ３（実施例２）、１．５×１０１７／ｃｍ３（実施例３）、３×１０１７／ｃｍ３（実施例４）、６×１０１７／ｃｍ３（比較例１）、３×１０１６／ｃｍ３（比較例２）、１×１０１８／ｃｍ３（比較例３）となるようにＤＭＺｎガスの導入量を調整して第１ｐ型層の形成を行った以外は実施例１と同様の条件でエピタキシャルウェーハの作製を行い、同様の評価を行った。このとき各々のエピタキシャルウェーハの光出力の評価を行った結果を図２に示す。
【００４６】
図２に示すように、第１ｐ型層のキャリア濃度が５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３の各々実施例２−４のエピタキシャルウェーハをＬＥＤにした際の発光強度はいずれも０．０４ｍＷを超えており、従来の範囲である比較例１（０．０３５ｍＷ）や比較例３（０．０２７ｍＷ）に比べて大きな発光強度となった。また、キャリア濃度が３×１０１６／ｃｍ３である比較例２の発光強度（０．０３５ｍＷ）では、該層のキャリア濃度が低いためにＬＥＤとしたときの発光強度が弱くなることが分かった。
【００４７】
（実施例５、６、７、比較例４）
実施例１において、第２ｐ型層のキャリア濃度が、各々１×１０１９／ｃｍ３（実施例５）、７×１０１８／ｃｍ３（実施例６）、３×１０１９／ｃｍ３（実施例７）、５×１０１８／ｃｍ３（比較例４）となるようにＤＭＺｎガスの導入量を調整して第２ｐ型層の形成を行った以外は実施例１と同様の条件でエピタキシャルウェーハの作製を行い、同様の評価を行った。このとき各々のエピタキシャルウェーハの電気的特性曲線を図３に示す。
【００４８】
このように、第２ｐ型層のキャリア濃度を７×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３の範囲とすることによって、ＬＥＤとした際に、良好なオーミック電極を安定して形成することができることが分かった。これに対し、上記の範囲外である比較例４では、良好なオーミック電極が作製できなかったことが分かった。
【００４９】
（実施例８）
実施例１において、第１ｐ型層を形成する際に導入するＤＭＺｎガスの導入量を毎分０．８ｓｃｃｍから毎分４ｓｃｃｍまで増加させて３９分間エピタキシャル成長を行った。その後第２ｐ型層を形成する前に、ＤＭＺｎガスの導入量を毎分４ｓｃｃｍに固定した状態で、４０分間エピタキシャル成長によって第３ｐ型層を形成した。その後、導入するＤＭＺｎガスを毎分４ｓｃｃｍから毎分２００ｓｃｃｍまで増加させて４０分間、第２ｐ型層を形成した以外は実施例１と同様の条件でエピタキシャルウェーハを作製し、同様の評価を行った。
【００５０】
この実施例８のｐ型層のキャリア濃度は、第１ｐ型層は１×１０１７／ｃｍ３、第２ｐ型層は２×１０１９／ｃｍ３、第３ｐ型層は５×１０１７／ｃｍ３であった。また各層の厚さは、第１ｐ型層が３μｍ、第２ｐ型層が４μｍ、第３ｐ型層が１０μｍであった。
この実施例８のエピタキシャルウェーハをＬＥＤにした際のｃｈｉｐ出力は０．０６７（ｍＷ）であり、実施例１のエピタキシャルウェーハと比べて約１．４倍、従来のエピタキシャルウェーハである比較例１とは約１．９倍になっており、第１ｐ型層と第２ｐ型層の間に第３ｐ型層を設けることによってＬＥＤにした際の光出力を更に向上させることができることが分かった。
【００５１】
また、実施例１および実施例８のエピタキシャルウェーハをＬＥＤにした際の発光時間に対する残光率の関係を示した図を図４に示す。
このように実施例１、実施例８のエピタキシャルウェーハを用いたＬＥＤは、共に発光時間が１５０時間を越えても発光強度は発光開始時とほとんど変わらずむしろ若干増加していることが分かった。よって、本発明のエピタキシャルウェーハによれば、長時間の使用にも耐えうる高品質のＬＥＤとすることができることが分かった。
【００５２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明のエピタキシャルウェーハの構成の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の実施例と比較例のエピタキシャルウェーハをＬＥＤにした際の第１ｐ型層のキャリア濃度に対する光出力を評価した時の図である。
【図３】本発明の実施例と比較例のエピタキシャルウェーハの表面の電極に電圧を印加した時の電流との関係を示した図である。
【図４】実施例におけるエピタキシャルウェーハをＬＥＤにした際の発光時間に対する残光率の関係を示したである。
【図５】従来のエピタキシャルウェーハの構成の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０…エピタキシャルウェーハ、 １１…基板、 １１ａ…単結晶基板、 １１ｂ…基板バッファー層、 １２…ｎ型層、 １２ａ…組成変化層、 １２ｂ…一定組成層、 １２ｃ…窒素濃度増加層、 １２ｄ…窒素濃度一定層、 １３…ｐ型層、 １３ａ…第１ｐ型層、 １３ｂ…第２ｐ型層、 １３ｃ…第３ｐ型層、
２１…ＧａＰ基板、 ２２…ｎ型層、 ２２ａ…組成変化ＧａＡｓＰ層、 ２２ｂ…一定組成ＧａＡｓＰ層、 ２２ｃ…一定組成ＮドープＧａＡｓＰ層、 ２３…ｐ型層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、基板と、該基板上にエピタキシャル成長によって形成されたｎ型層および該ｎ型層上にｐ型層とを有するエピタキシャルウェーハにおいて、
前記ｎ型層および前記ｐ型層はＧａＡｓＰまたはＧａＰであり、前記ｐ型層は少なくとも第１ｐ型層と該第１ｐ型層より上に第２ｐ型層とを有し、
前記第１ｐ型層のキャリア濃度は５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３、前記第２ｐ型層のキャリア濃度は７×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３であることを特徴とするエピタキシャルウェーハ。
【請求項２】
前記ｐ型層は、前記第１ｐ型層と前記第２ｐ型層の間に第３ｐ型層を有し、該第３ｐ型層のキャリア濃度は３×１０１７〜１×１０１８／ｃｍ３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ェーハ。
【請求項３】
前記ｎ型層および前記ｐ型層のシリコン濃度は１×１０１４〜１．５×１０１５／ｃｍ３であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエピタキシャルウェーハ。
【請求項４】
前記第１ｐ型層は、前記基板側から表面側に徐々にキャリア濃度が５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３の濃度範囲で上昇する濃度分布を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェーハ。
【請求項５】
前記第１ｐ型層の層厚が、４〜５０μｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェーハ。
【請求項６】
前記ｎ型層および前記ｐ型層は、ＧａＡｓ１−ｘＰｘ（０．４５＜ｘ＜１）であり、かつ前記基板はＧａＰであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェーハ。
【請求項７】
前記ｎ型層と前記ｐ型層のうち、少なくとも一方に窒素がドープされていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェーハ。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェーハにおいて、前記ｐ型層のｐ型ドーパントが、亜鉛またはマグネシウム、またはその両方であることを特徴とするエピタキシャルウェーハ。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェーハは、前記ｎ型層および前記ｐ型層が、ハイドライド法によって形成されたものであることを特徴とするエピタキシャルウェーハ。
【請求項１】
少なくとも、基板と、該基板上にエピタキシャル成長によって形成されたｎ型層および該ｎ型層上にｐ型層とを有するエピタキシャルウェーハにおいて、
前記ｎ型層および前記ｐ型層はＧａＡｓＰまたはＧａＰであり、前記ｐ型層は少なくとも第１ｐ型層と該第１ｐ型層より上に第２ｐ型層とを有し、
前記第１ｐ型層のキャリア濃度は５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３、前記第２ｐ型層のキャリア濃度は７×１０１８〜３×１０１９／ｃｍ３であることを特徴とするエピタキシャルウェーハ。
【請求項２】
前記ｐ型層は、前記第１ｐ型層と前記第２ｐ型層の間に第３ｐ型層を有し、該第３ｐ型層のキャリア濃度は３×１０１７〜１×１０１８／ｃｍ３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ェーハ。
【請求項３】
前記ｎ型層および前記ｐ型層のシリコン濃度は１×１０１４〜１．５×１０１５／ｃｍ３であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエピタキシャルウェーハ。
【請求項４】
前記第１ｐ型層は、前記基板側から表面側に徐々にキャリア濃度が５×１０１６〜３×１０１７／ｃｍ３の濃度範囲で上昇する濃度分布を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェーハ。
【請求項５】
前記第１ｐ型層の層厚が、４〜５０μｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェーハ。
【請求項６】
前記ｎ型層および前記ｐ型層は、ＧａＡｓ１−ｘＰｘ（０．４５＜ｘ＜１）であり、かつ前記基板はＧａＰであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェーハ。
【請求項７】
前記ｎ型層と前記ｐ型層のうち、少なくとも一方に窒素がドープされていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェーハ。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェーハにおいて、前記ｐ型層のｐ型ドーパントが、亜鉛またはマグネシウム、またはその両方であることを特徴とするエピタキシャルウェーハ。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェーハは、前記ｎ型層および前記ｐ型層が、ハイドライド法によって形成されたものであることを特徴とするエピタキシャルウェーハ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−２１２１１２（Ｐ２００９−２１２１１２Ａ）
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５０４４６（Ｐ２００８−５０４４６）
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【出願人】（０００１９０１４９）信越半導体株式会社 (867)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【出願人】（０００１９０１４９）信越半導体株式会社 (867)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]