発光素子用エピタキシャルウェハおよびその製造方法
【課題】蓄積された製造技術やノウハウを活かしつつ、ｐ型不純物の拡散を抑えた発光素子用エピタキシャルウェハを提供する。
【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層３、活性層５、ｐ型クラッド層７およびｐ型ＧａＡｓキャップ層８を順次積層したダブルヘテロ構造を有する発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、ｐ型クラッド層７中のｐ型不純物が炭素とマグネシウムであり、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８中のｐ型不純物が炭素と亜鉛であるものである。
【解決手段】ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層３、活性層５、ｐ型クラッド層７およびｐ型ＧａＡｓキャップ層８を順次積層したダブルヘテロ構造を有する発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、ｐ型クラッド層７中のｐ型不純物が炭素とマグネシウムであり、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８中のｐ型不純物が炭素と亜鉛であるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主にＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｅｄ Ｄｉｏｄｅ）などの発光素子用エピタキシャルウェハおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体を用いた赤色のレーザーダイオード（ＬＤ）は、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）の読み書き用の光源として広く用いられている。
【０００３】
このＬＤに用いられるＡｌＧａＩｎＰ系の発光素子用エピタキシャルウェハは、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層、アンドープガイド層、アンドープ活性層、アンドープガイド層、ｐ型クラッド層およびｐ型ＧａＡｓキャップ層を順次積層して形成される。
【０００４】
上記ｐ型クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層）の成長時には、ｎ型ＧａＡｓ基板に、ジエチル亜鉛（ＤＥＺ）、ジメチル亜鉛（ＤＭＺ）などをドーピング原料として流し、ｐ型キャリアである亜鉛（Ｚｎ）を含有させて成長させていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このように、従来の発光素子用エピタキシャルウェハにおいては、ｐ型クラッド層にｐ型キャリアとしてＺｎを含有させていたが、Ｚｎは拡散性が高く、近傍層に拡散してしまう。
【０００６】
Ｚｎが拡散することにより、（１）ｐ型クラッド層の深さ方向のキャリア濃度（Ｚｎ濃度）が不均一になる、（２）近傍層にあたる活性層にＺｎが入り込んでしまう、といった問題が生じ、（１）、（２）の状態のエピタキシャルウェハをデバイス加工すると、ＬＤの特性が悪化し、例えば、重要なデバイス特性である動作電流値Ｉopが上昇してしまう。
【０００７】
動作電流値Ｉopが上昇するとＬＤの信頼性が低下し、すなわち寿命が低下するので大きな問題である。
【０００８】
この問題を低減させるために、ｐ型クラッド層のｐ型不純物として、比較的拡散が小さいマグネシウム（Ｍｇ）を用いた発光素子用エピタキシャルウェハが提案されている（例えば、特許文献２参照）。あるいは、ｐ型不純物として、さらに拡散が小さい炭素（Ｃ）を用いた発光素子用エピタキシャルウェハが提案されている（例えば、特許文献３〜５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−２５９２０号公報
【特許文献２】特開２００７−９６２６７号公報
【特許文献３】特開平１０−２５６６４７号公報
【特許文献４】特開２００４−２０７６８２号公報
【特許文献５】特開平１１−６８２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ｐ型クラッド層にＭｇが存在すると、相互拡散によってその上層であるｐ型キャップ層のＺｎの拡散が促進されて、結局Ｚｎが活性層中まで拡散してしまい、対策として拡散防止層を挿入するなどによる構造の複雑化や製造コスト高を招いている。
【００１１】
そして、Ｃドーピングの場合は、Ｃは両性不純物であるため、製造条件によってはｎ型にもなってしまう。Ｃをｐ型高濃度ドーピングするには、成長温度を大きく下げたり、III族原料とＶ族原料とのＶ／III比を大きく下げたりする必要があるが、そのような製造条件は結晶性の低下を招く問題がある。結晶性が低下すると素子の信頼性の低下を招いてしまう。
【００１２】
また、ｐ型クラッド層や活性層へのＺｎ、Ｍｇの拡散がほぼ全くなくなると、従来、Ｚｎ、Ｍｇの拡散を想定して、安定した所望の発光特性を得るよう設計されたＬＤ構造の変更が大幅に必要となる可能性がある。さらに、製造条件変更が必要となり、蓄積された製造技術やノウハウを活かすことができない可能性がある。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、蓄積された製造技術やノウハウを活かしつつ、ｐ型不純物の拡散を抑えた発光素子用エピタキシャルウェハおよびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層およびｐ型ＧａＡｓキャップ層を順次積層したダブルヘテロ構造を有する発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記ｐ型クラッド層中のｐ型不純物が炭素とマグネシウムを含み、前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層中のｐ型不純物が炭素と亜鉛を含む発光素子用エピタキシャルウェハである。
【００１５】
請求項２の発明は、前記活性層中の炭素原子濃度が、５．０×１０15ｃｍ-3以下であり、前記ｐ型クラッド層中の炭素原子濃度が、４．０×１０17ｃｍ-3以上９．０×１０17ｃｍ-3以下である請求項１に記載の発光素子用エピタキシャルウェハである。
【００１６】
請求項３の発明は、前記活性層中の亜鉛原子濃度が、１．１×１０16ｃｍ-3以上１．８×１０16ｃｍ-3以下である請求項１または２に記載の発光素子用エピタキシャルウェハである。
【００１７】
請求項４の発明は、前記活性層中のマグネシウム原子濃度が、１．０×１０16ｃｍ-3以上１．６×１０16ｃｍ-3以下である請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子用エピタキシャルウェハである。
【００１８】
請求項５の発明は、加熱されたｎ型ＧａＡｓ基板に、III族原料ガス、Ｖ族原料ガス、キャリアガスおよびドーパント原料ガスを供給して、前記ｎ型ＧａＡｓ基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を有するダブルヘテロ構造およびｐ型ＧａＡｓキャップ層を有するエピタキシャル層を成長させる発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法において、前記ｐ型クラッド層の成長時に、炭素とマグネシウムを同時にドーピングし、前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の成長時に、炭素と亜鉛を同時にドーピングする発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法である。
【００１９】
請求項６の発明は、前記ｐ型クラッド層および前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の炭素のドーピングは、ドーパント原料ガスとしてＣＢｒ4を供給することにより行う請求項５に記載の発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法である。
【００２０】
請求項７の発明は、前記ｐ型クラッド層および前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の炭素のドーピングは、成長温度およびIII族原料とＶ族原料とのＶ／III比の調整による有機金属原料からのオートドーピングにより行う請求項５に記載の発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法である。
【００２１】
請求項８の発明は、前記ｐ型クラッド層の炭素のオートドーピングは、成長温度６３０℃以上６８０℃以下、Ｖ／III比９５以上１７５以下で行い、前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の炭素のオートドーピングは、成長温度６３０℃以上６８０℃以下、Ｖ／III比１０以上４０以下で行う請求項７に記載の発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、従来の製造技術を活かしつつ、ｐ型不純物の拡散を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の発光素子用エピタキシャルウェハの一例を示す概略的な断面構造図である。
【図２】実施例および比較例の発光素子用エピタキシャルウェハのｐ型クラッド層から活性層付近のドーパント原子分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２５】
図１は、本発明の発光素子用エピタキシャルウェハの一例を示す概略的な断面構造図である。
【００２６】
図１に示すように、本発明の発光素子用エピタキシャルウェハ１は、ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層３、アンドープガイド層４、アンドープの活性層５、アンドープガイド層６、ｐ型クラッド層７およびｐ型ＧａＡｓキャップ層８を順次積層して形成される。
【００２７】
また、図示していないが、エッチングや蒸着などにより、例えば、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８上の一部にｐ側電極が、またｎ型ＧａＡｓ基板２側にｎ側電極がぞれぞれ形成される。
【００２８】
ｎ型クラッド層３には、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされている。
【００２９】
ｐ型クラッド層７には、ｐ型不純物として炭素（Ｃ）とマグネシウム（Ｍｇ）がドープされており、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８には、ｐ型不純物として炭素と亜鉛（Ｚｎ）がドープされている。
【００３０】
この理由を以下に述べる。
【００３１】
背景技術で説明したように、従来はｐ型キャリアとしてＺｎや、Ｚｎより拡散定数の小さいＭｇを含有させていたが、Ｚｎは拡散性が高くｐ型クラッド層の近傍層に拡散してしまい、またＭｇは相互拡散によってその上層であるｐ型ＧａＡｓキャップ層のＺｎの拡散が促進されて、結局Ｚｎが活性層中まで拡散してしまい、結果としてエピタキシャルウェハをデバイス化したときに、発光素子の信頼性を低下させていた。
【００３２】
そこで、さらに拡散定数の小さいＣのみをドープすることが提案されているが、Ｃのみを用いてｐ型高濃度ドーピングすることは容易ではなく、またｐ型ドーパントの拡散がほぼなくなってしまうのは望ましくない。
【００３３】
本発明の発光素子用エピタキシャルウェハ１では、ＭｇやＺｎと共にＣをｐ型ドーパントとしてドープすることで、ＭｇやＺｎの拡散、及びＭｇとＺｎの相互拡散を抑えて、ｐ型クラッド層７やｐ型ＧａＡｓキャップ層８におけるキャリア濃度の均一性を保つようにしている。
【００３４】
ここで、活性層５中の原子濃度は、Ｚｎ原子が１．１×１０16ｃｍ-3以上１．８×１０16ｃｍ-3以下、Ｍｇ原子が１．０×１０16ｃｍ-3以上１．６×１０16ｃｍ-3以下、Ｃ原子が５．０×１０15ｃｍ-3以下の範囲であることが好ましい。活性層５中のＺｎ、ＭｇおよびＣの原子濃度がこの範囲であれば、半導体発光素子特性を安定させることができ、また、Ｚｎ、Ｍｇの拡散を想定して設計された素子の構造および素子工程などの製造条件変更が必要ない。
【００３５】
また、ｐ型クラッド層７のＣ原子濃度は、４．０×１０17ｃｍ-3以上９．０×１０17ｃｍ-3以下が好ましい。
【００３６】
この発光素子用エピタキシャルウェハ１の製造には、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）が用いられる。すなわち、気相成長装置内に設置したｎ型ＧａＡｓ基板２を加熱し、加熱したｎ型ＧａＡｓ基板２に、各エピタキシャル層に必要なIII族原料ガス、Ｖ族原料ガス、キャリアガスおよびドーパント原料ガスを供給し、ｎ型ＧａＡｓ基板２上にIII−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル層を順次成長させて形成する。
【００３７】
III族原料ガスとしては、例えば、Ａｌ（ＣＨ3）3（ＴＭＡ：トリメチルアルミニウム）、Ａｌ（Ｃ2Ｈ5）3、Ｇａ（ＣＨ3）3（ＴＭＧ：トリメチルガリウム）、Ｇａ（Ｃ2Ｈ5）3、Ｉｎ（ＣＨ3）3（ＴＭＩ：トリメチルインジウム）、Ｉｎ（Ｃ2Ｈ5）3を用い、またはこれらを組み合わせて用いる。
【００３８】
また、Ｖ族原料ガスとしては、例えば、ＰＨ3（フォスフィン）、ＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）、ＡｓＨ3（アルシン）、Ａｓ（ＣＨ3）3、ＴＢＡ（ターシャリーブチルアルシン）、ＮＨ3（アンモニア）を用い、またはこれらを組み合わせて用いる。
【００３９】
キャリアガスとしては、Ｈ2（水素）、Ｎ2（窒素）もしくはＡｒ（アルゴン）を用い、またはこれらを組み合わせて用いる。
【００４０】
ｎ型ドーパント原料ガスとしては、例えば、Ｓｉ2Ｈ6（ジシラン）、ＳｉＨ4（シラン）、Ｈ2Ｓｅ、Ｔｅ（Ｃ2Ｈ5）2を用い、またはこれらを組み合わせて用いる。
【００４１】
ｐ型ドーパントのＣのドーピングとしては、III族原料ガスとＶ族原料ガスとのＶ／III比の調整による有機金属原料からのオートドーピング、または成長温度の調整による有機金属原料からのオートドーピング、またはＣＢｒ4（四臭化炭素）ガスを用いる方法がある。
【００４２】
Ｃのドーピングを、成長温度およびＶ／III比の調整による有機金属原料からのオートドーピングにより行う場合には、ｐ型クラッド層７のＣのオートドーピングを、成長温度６３０℃以上６８０℃以下、Ｖ／III比９５以上１７５以下で行い、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８のＣのオートドーピングを、成長温度６３０℃以上６８０℃以下、Ｖ／III比１０以上４０以下で行うとよい。これにより、上述の最適な拡散を実現できる。
【００４３】
ｐ型ドーパントのＭｇのドーピングとしては、Ｃｐ2Ｍｇを用いる。ｐ型ドーパントのＺｎのドーピングとしては、ＤＥＺ（ジエチル亜鉛）、ＤＭＺ（ジメチル亜鉛）を用いる。
【００４４】
本発明では、上記のドーピング方法でｐ型クラッド層７の成長時に、ｐ型キャリアとしてＣとＭｇを含有させている。ＣはＭｇよりも拡散が少ないため、Ｍｇドーピングのみに比べて、ｐ型クラッド層７の近傍層である活性層５への拡散を低減できる。
【００４５】
適度に拡散させたい場合（つまり、活性層５中のＭｇ原子濃度を高くする場合）は、ｐ型クラッド層７中のＣとＭｇのドーピング割合をＭｇが増すように調整すればよい。
【００４６】
また、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８の成長時には、ｐ型キャリアとしてＣとＺｎを含有させている。ｐ型ＧａＡｓキャップ層８とｐ側電極との接触抵抗を可能な限り低くする必要性から、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８にはｐ型クラッド層７より一桁以上高いキャリア濃度が要求されるが、ＭｇをＧａＡｓに高濃度ドーピングすることができないからである。そのため、ＺｎとＭｇではＭｇの方が拡散定数は小さいが、Ｚｎを用いている。
【００４７】
ＣはＺｎよりも拡散が少ないため、Ｚｎドーピングのみに比べて、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８からｐ型クラッド層７へのＺｎの拡散量を抑え、ｐ型クラッド層７に拡散したＺｎの活性層５への拡散を低減できる。
【００４８】
適度に拡散させたい場合（つまり、活性層５中のＺｎ原子濃度を高くする場合）は、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８中のＣとＺｎのドーピング割合をＺｎが増すように調整すればよい。
【００４９】
また、ｐ型クラッド層７やｐ型ＧａＡｓキャップ層８を完全にＣのみのドーピングとする場合には、成長温度を大きく下げたり、III族原料ガスとＶ族原料ガスとのＶ／III比を大きく下げたりしなければならない場合がある（一般にＣはドーピングしにくい）。
【００５０】
一方でそのような製造条件は結晶性の低下を引き起こすことがあったが、本発明では比較的ドーピングしやすいＭｇやＺｎのドーピングも同時に行うため、Ｃのみのドーピングとする場合ほど成長温度やＶ／III比を大きく下げる必要はない。
【００５１】
本発明の発光素子用エピタキシャルウェハ１では、ｐ型クラッド層７にＣとＭｇが、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８にＣとＺｎがドープされている。ｐ型ドーパントとして拡散しにくいＣを併用することで、ｐ型不純物としてのＺｎやＭｇのドーピング量を低減し、ｐ型クラッド層７、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８からの活性層５へのＺｎやＭｇの拡散を所望の範囲にすることができる。
【００５２】
そのため、本発明の発光素子用エピタキシャルウェハ１を用いることにより、従来の素子作製プロセスを大きく変更することなく、動作電流値Ｉopが低く、信頼性が高い高寿命の発光素子を得ることができる。
【００５３】
また、従来のようにｐ型クラッド層のｐ型不純物にＺｎまたはＭｇを用いた場合には、ＺｎまたはＭｇの活性層への拡散によって結晶性が悪化し、その結果、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を行って評価すると、ＺｎまたはＭｇドーピング量の増加に伴って発光スペクトルの半値幅が急激に増大してしまう。
【００５４】
特に、Ｚｎの場合、キャリア濃度が６．０×１０17ｃｍ-3以上になると、その傾向は顕著となるため、従来にあっては、ｐ型クラッド層のキャリア濃度を４．０×１０17ｃｍ-3程度に低く抑えていた。ｐ型クラッド層のキャリア濃度が低いと、動作電流値Ｉopが悪化してしまう。
【００５５】
これに対して、本発明では、ｐ型クラッド層７のキャリア濃度を８．０×１０17ｃｍ-3以上としても、ドーピングされた不純物のある一定割合が拡散の少ないＣであるので、活性層５への拡散が少なく、拡散による結晶性の悪化を抑制でき、ＰＬ発光の半値幅を低く維持することができる。
【００５６】
本実施の形態においては、ｐ型クラッド層７のドーピングはＣ＋Ｍｇであるが、Ｃ＋ＺｎまたはＣ＋Ｍｇ＋Ｚｎでもよい。同様に、本発明のｐ型ＧａＡｓキャップ層８のドーピングはＣ＋Ｚｎであるが、Ｃ＋ＭｇまたはＣ＋Ｍｇ＋Ｚｎでもよい。
【００５７】
また、本実施の形態において、ｎ型ＧａＡｓ基板２とｎ型クラッド層３との間にバッファ層を設けたり、アンドープガイド層４、６を省いたり、活性層５を多重量子井戸構造に変更したり、あるいはｐ型ＧａＡｓキャップ層８をＡｌＧａＡｓ、ＧａＰなどの他のｐ型半導体層に変更したりするなど種々に変更可能である。
【実施例】
【００５８】
（実施例）
本実施例では、一例としてＤＶＤの読み書き用の光源として用いられる赤色レーザーダイオード用のＬＤ用エピタキシャルウェハを作製した。その構造は図１に示した発光素子用エピタキシャルウェハと同様である。
【００５９】
本実施例のＬＤ用エピタキシャルウェハは、ｎ型ＧａＡｓ基板２（厚さ５００μｍ、目標とするキャリア濃度８．０×１０17ｃｍ-3）上に、Ｓｉドープのｎ型（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｎ型クラッド層３（厚さ２．５μｍ、目標とするキャリア濃度８．０×１０17ｃｍ-3）、アンドープ（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるアンドープガイド層４（厚さ０．０２μｍ）、アンドープ（Ａｌ0.05Ｇａ0.95）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる活性層５、アンドープ（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるアンドープガイド層６（厚さ０．０２μｍ）、ＣおよびＭｇドープのｐ型（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｐ型クラッド層７（厚さ２．０μｍ、目標とするキャリア濃度１．０×１０18ｃｍ-3）、ＣおよびＺｎドープのｐ型ＧａＡｓキャップ層８（厚さ１．５μｍ、目標とするキャリア濃度３．０×１０19ｃｍ-3）のエピタキシャル層を順次積層したものである。
【００６０】
このＬＤ用エピタキシャルウェハは、気相成長装置の反応炉内にｎ型ＧａＡｓ基板を設置し、ＭＯＶＰＥ法を用いて作製した。成長温度（ｎ型ＧａＡｓ基板に対向する面に設置した放射温度計で測定したｎ型ＧａＡｓ基板の表面温度）は８００℃、成長圧力（反応炉内の圧力）は約１０６６６Ｐａ（８０Ｔｏｒｒ）、キャリアガスは水素である。
【００６１】
各エピタキシャル層の成長時に供給した原料流量は次の通りである。
【００６２】
ｎ型クラッド層３では、ＴＭＧ：０．０１２（Ｌ／分）、ＴＭＡ：０．００４（Ｌ／分）、ＴＭＩ：０．０２（Ｌ／分）、Ｓｉ2Ｈ6：０．５１（Ｌ／分）、ＰＨ3：１．８（Ｌ／分）である。
【００６３】
アンドープガイド層４では、ＴＭＧ：０．０１４（Ｌ／分）、ＴＭＡ：０．００３（Ｌ／分）、ＴＭＩ：０．０２（Ｌ／分）、ＰＨ3：１．８（Ｌ／分）である。
【００６４】
活性層５では、ＴＭＧ：０．０１６（Ｌ／分）、ＴＭＡ：０．００２（Ｌ／分）、ＴＭＩ：０．０２４（Ｌ／分）、ＰＨ3：１．８（Ｌ／分）である。
【００６５】
アンドープガイド層６では、ＴＭＧ：０．０１４（Ｌ／分）、ＴＭＡ：０．００３（Ｌ／分）、ＴＭＩ：０．０２（Ｌ／分）、ＰＨ3：１．８（Ｌ／分）である。
【００６６】
ｐ型クラッド層７では、ＴＭＧ：０．０１２（Ｌ／分）、ＴＭＡ：０．００４（Ｌ／分）、ＴＭＩ：０．０２（Ｌ／分）、ＣＢｒ4：０．０２（Ｌ／分）、Ｃｐ2Ｍｇ：０．０４（Ｌ／分）、ＰＨ3：１．８（Ｌ／分）である。
【００６７】
ｐ型ＧａＡｓキャップ層８では、ＴＭＧ：０．０１２（Ｌ／分）、ＣＢｒ4：０．０５（Ｌ／分）、ＤＥＺ：０．２（Ｌ／分）、ＡｓＨ3：２（Ｌ／分）である。
【００６８】
アンドープ（Ａｌ0.05Ｇａ0.95）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる活性層５中のＺｎ、Ｃ、Ｍｇの各原子濃度は、Ｚｎ原子が１．１×１０16ｃｍ-3以上１．８×１０16ｃｍ-3以下、Ｍｇ原子が１．０×１０16ｃｍ-3以上１．６×１０16ｃｍ-3以下、Ｃ原子が５．０×１０15ｃｍ-3以下の範囲であることが好ましい。実施例では、活性層５中のＺｎ、Ｃ、Ｍｇ原子濃度が所望の範囲となるように、ｐ型クラッド層７中のｐ型ドーパントであるＣＢｒ4、Ｃｐ2Ｍｇを調整し、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８中のｐ型ドーパントであるＣＢｒ4、ＴＭＺを調整した。
【００６９】
例えば、活性層５中のＺｎ原子濃度を高くする場合には、ｐ型クラッド層７へのＭｇドーピング量を増やし、ＺｎとＭｇの相互拡散を促進させてもよい。また、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８へのＺｎドーピング量を増やしてＺｎの拡散を促進させてもよい。
【００７０】
本実施例では、ＣＢｒ4を供給することによりＣのドーピングを行ったが、成長温度およびIII族原料とＶ族原料とのＶ／III比の調整による有機金属原料からのオートドーピングにより行う場合には、成長温度を６３０℃以上６８０℃以下とし、Ｖ／III比を、ｎ型クラッド層３、アンドープガイド層４、６では１１５以上１７５以下とし、活性層５では１３０以上１９０以下とし、ｐ型クラッド層７では９５以上１７５以下とし、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８では１０以上４０以下としてエピタキシャル成長させるとよい。
【００７１】
また、各層のアルミ組成比は記載値の±０．１、キャリア濃度、厚さは記載値の±１０％の範囲とするとよい。実施例ではｐ型クラッド層７は、（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐとしたが、（Ａｌ0.55Ｇａ0.45）0.5Ｉｎ0.5Ｐとしてもよい。ｐ型クラッド層のＣ原子濃度は、４．０×１０17ｃｍ-3以上９．０×１０17ｃｍ-3以下が好ましい。
【００７２】
（比較例）
比較例として、実施例のｐ型クラッド層７を、Ｍｇドープのｐ型クラッド層に、またｐ型ＧａＡｓキャップ層８を、Ｚｎドープのｐ型ＧａＡｓキャップ層に変更したＬＤ用エピタキシャルウェハを作製した。
【００７３】
実施例との相違点は、ｐ型クラッド層の成長時に供給するｐ型ドーピング原料が、ＣＢｒ4とＣｐ2ＭｇではなくＣｐ2Ｍｇだけ（原料流量０．０７（Ｌ／分））である点、およびｐ型ＧａＡｓキャップ層の成長時に供給するｐ型ドーピング原料が、ＣＢｒ4とＤＥＺではなくＤＥＺだけ（原料流量０．３（Ｌ／分））である点のみであり、他の成長条件は全て同じである。
【００７４】
（実施例と比較例の比較）
実施例および比較例のＬＤ用エピタキシャルウェハに対して、ｐ型クラッド層から活性層にかけてドーパント原料濃度分布を測定した。その結果を図２に示す。
【００７５】
図２に示すように、実施例では比較例よりも活性層でのＭｇ、Ｚｎ濃度が低くなっている。
【００７６】
実施例も比較例もｐ型クラッド層の目標とするキャリア濃度は１．０×１０18ｃｍ-3としたが、比較例では、ｐ型クラッド層中のＭｇドーピング量が多いため、活性層中にＭｇが拡散し、Ｍｇ原子濃度が高くなっている。
【００７７】
これに対し実施例では、ｐ型クラッド層７中のＭｇドーピング量が少なく、活性層５中のＭｇ原子濃度も低く抑えられている。また、実施例ではｐ型ＧａＡｓキャップ層８からの活性層５へのＺｎの拡散原子濃度も低く抑えられていることが分かる。
【００７８】
ここでは、ｐ型クラッド層から活性層へのＭｇの拡散について述べたが、同様にｐ型ＧａＡｓキャップ層から活性層へのＺｎの拡散も同様に抑制することができる。
【００７９】
実施例と比較例のＬＤ用エピタキシャルウェハからＬＤを作製し、動作電流値Ｉopを測定したところ、実施例のＬＤ用エピタキシャルウェハから作製したＬＤの動作電流値Ｉopは６７（ｍＡ）、比較例のＬＤ用エピタキシャルウェハから作製したＬＤの動作電流値Ｉopは８０（ｍＡ）であった。
【００８０】
以上より、実施例のＬＤ用エピタキシャルウェハでは、ＬＤの動作電流値Ｉopを低く抑えることができ、ＬＤの信頼性・長寿命化が図れることが確認された。
【００８１】
本実施例では、ＬＤ用エピタキシャルウェハについて述べたが、本発明を他の発光素子用エピタキシャルウェハ、例えばＬＥＤ用エピタキシャルウェハなどに適用しても同様に、発光素子の信頼性・長寿命化が図れる。
【符号の説明】
【００８２】
１ 発光素子用エピタキシャルウェハ
２ ｎ型ＧａＡｓ基板
３ ｎ型クラッド層
５ 活性層
７ ｐ型クラッド層
８ ｐ型ＧａＡｓキャップ層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主にＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｅｄ Ｄｉｏｄｅ）などの発光素子用エピタキシャルウェハおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体を用いた赤色のレーザーダイオード（ＬＤ）は、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）の読み書き用の光源として広く用いられている。
【０００３】
このＬＤに用いられるＡｌＧａＩｎＰ系の発光素子用エピタキシャルウェハは、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いて、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層、アンドープガイド層、アンドープ活性層、アンドープガイド層、ｐ型クラッド層およびｐ型ＧａＡｓキャップ層を順次積層して形成される。
【０００４】
上記ｐ型クラッド層（ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層）の成長時には、ｎ型ＧａＡｓ基板に、ジエチル亜鉛（ＤＥＺ）、ジメチル亜鉛（ＤＭＺ）などをドーピング原料として流し、ｐ型キャリアである亜鉛（Ｚｎ）を含有させて成長させていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このように、従来の発光素子用エピタキシャルウェハにおいては、ｐ型クラッド層にｐ型キャリアとしてＺｎを含有させていたが、Ｚｎは拡散性が高く、近傍層に拡散してしまう。
【０００６】
Ｚｎが拡散することにより、（１）ｐ型クラッド層の深さ方向のキャリア濃度（Ｚｎ濃度）が不均一になる、（２）近傍層にあたる活性層にＺｎが入り込んでしまう、といった問題が生じ、（１）、（２）の状態のエピタキシャルウェハをデバイス加工すると、ＬＤの特性が悪化し、例えば、重要なデバイス特性である動作電流値Ｉopが上昇してしまう。
【０００７】
動作電流値Ｉopが上昇するとＬＤの信頼性が低下し、すなわち寿命が低下するので大きな問題である。
【０００８】
この問題を低減させるために、ｐ型クラッド層のｐ型不純物として、比較的拡散が小さいマグネシウム（Ｍｇ）を用いた発光素子用エピタキシャルウェハが提案されている（例えば、特許文献２参照）。あるいは、ｐ型不純物として、さらに拡散が小さい炭素（Ｃ）を用いた発光素子用エピタキシャルウェハが提案されている（例えば、特許文献３〜５）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−２５９２０号公報
【特許文献２】特開２００７−９６２６７号公報
【特許文献３】特開平１０−２５６６４７号公報
【特許文献４】特開２００４−２０７６８２号公報
【特許文献５】特開平１１−６８２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ｐ型クラッド層にＭｇが存在すると、相互拡散によってその上層であるｐ型キャップ層のＺｎの拡散が促進されて、結局Ｚｎが活性層中まで拡散してしまい、対策として拡散防止層を挿入するなどによる構造の複雑化や製造コスト高を招いている。
【００１１】
そして、Ｃドーピングの場合は、Ｃは両性不純物であるため、製造条件によってはｎ型にもなってしまう。Ｃをｐ型高濃度ドーピングするには、成長温度を大きく下げたり、III族原料とＶ族原料とのＶ／III比を大きく下げたりする必要があるが、そのような製造条件は結晶性の低下を招く問題がある。結晶性が低下すると素子の信頼性の低下を招いてしまう。
【００１２】
また、ｐ型クラッド層や活性層へのＺｎ、Ｍｇの拡散がほぼ全くなくなると、従来、Ｚｎ、Ｍｇの拡散を想定して、安定した所望の発光特性を得るよう設計されたＬＤ構造の変更が大幅に必要となる可能性がある。さらに、製造条件変更が必要となり、蓄積された製造技術やノウハウを活かすことができない可能性がある。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、蓄積された製造技術やノウハウを活かしつつ、ｐ型不純物の拡散を抑えた発光素子用エピタキシャルウェハおよびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、ｎ型ＧａＡｓ基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層およびｐ型ＧａＡｓキャップ層を順次積層したダブルヘテロ構造を有する発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、前記ｐ型クラッド層中のｐ型不純物が炭素とマグネシウムを含み、前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層中のｐ型不純物が炭素と亜鉛を含む発光素子用エピタキシャルウェハである。
【００１５】
請求項２の発明は、前記活性層中の炭素原子濃度が、５．０×１０15ｃｍ-3以下であり、前記ｐ型クラッド層中の炭素原子濃度が、４．０×１０17ｃｍ-3以上９．０×１０17ｃｍ-3以下である請求項１に記載の発光素子用エピタキシャルウェハである。
【００１６】
請求項３の発明は、前記活性層中の亜鉛原子濃度が、１．１×１０16ｃｍ-3以上１．８×１０16ｃｍ-3以下である請求項１または２に記載の発光素子用エピタキシャルウェハである。
【００１７】
請求項４の発明は、前記活性層中のマグネシウム原子濃度が、１．０×１０16ｃｍ-3以上１．６×１０16ｃｍ-3以下である請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子用エピタキシャルウェハである。
【００１８】
請求項５の発明は、加熱されたｎ型ＧａＡｓ基板に、III族原料ガス、Ｖ族原料ガス、キャリアガスおよびドーパント原料ガスを供給して、前記ｎ型ＧａＡｓ基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を有するダブルヘテロ構造およびｐ型ＧａＡｓキャップ層を有するエピタキシャル層を成長させる発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法において、前記ｐ型クラッド層の成長時に、炭素とマグネシウムを同時にドーピングし、前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の成長時に、炭素と亜鉛を同時にドーピングする発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法である。
【００１９】
請求項６の発明は、前記ｐ型クラッド層および前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の炭素のドーピングは、ドーパント原料ガスとしてＣＢｒ4を供給することにより行う請求項５に記載の発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法である。
【００２０】
請求項７の発明は、前記ｐ型クラッド層および前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の炭素のドーピングは、成長温度およびIII族原料とＶ族原料とのＶ／III比の調整による有機金属原料からのオートドーピングにより行う請求項５に記載の発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法である。
【００２１】
請求項８の発明は、前記ｐ型クラッド層の炭素のオートドーピングは、成長温度６３０℃以上６８０℃以下、Ｖ／III比９５以上１７５以下で行い、前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の炭素のオートドーピングは、成長温度６３０℃以上６８０℃以下、Ｖ／III比１０以上４０以下で行う請求項７に記載の発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、従来の製造技術を活かしつつ、ｐ型不純物の拡散を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の発光素子用エピタキシャルウェハの一例を示す概略的な断面構造図である。
【図２】実施例および比較例の発光素子用エピタキシャルウェハのｐ型クラッド層から活性層付近のドーパント原子分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２５】
図１は、本発明の発光素子用エピタキシャルウェハの一例を示す概略的な断面構造図である。
【００２６】
図１に示すように、本発明の発光素子用エピタキシャルウェハ１は、ｎ型ＧａＡｓ基板２上に、ＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層３、アンドープガイド層４、アンドープの活性層５、アンドープガイド層６、ｐ型クラッド層７およびｐ型ＧａＡｓキャップ層８を順次積層して形成される。
【００２７】
また、図示していないが、エッチングや蒸着などにより、例えば、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８上の一部にｐ側電極が、またｎ型ＧａＡｓ基板２側にｎ側電極がぞれぞれ形成される。
【００２８】
ｎ型クラッド層３には、ｎ型不純物としてシリコン（Ｓｉ）がドープされている。
【００２９】
ｐ型クラッド層７には、ｐ型不純物として炭素（Ｃ）とマグネシウム（Ｍｇ）がドープされており、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８には、ｐ型不純物として炭素と亜鉛（Ｚｎ）がドープされている。
【００３０】
この理由を以下に述べる。
【００３１】
背景技術で説明したように、従来はｐ型キャリアとしてＺｎや、Ｚｎより拡散定数の小さいＭｇを含有させていたが、Ｚｎは拡散性が高くｐ型クラッド層の近傍層に拡散してしまい、またＭｇは相互拡散によってその上層であるｐ型ＧａＡｓキャップ層のＺｎの拡散が促進されて、結局Ｚｎが活性層中まで拡散してしまい、結果としてエピタキシャルウェハをデバイス化したときに、発光素子の信頼性を低下させていた。
【００３２】
そこで、さらに拡散定数の小さいＣのみをドープすることが提案されているが、Ｃのみを用いてｐ型高濃度ドーピングすることは容易ではなく、またｐ型ドーパントの拡散がほぼなくなってしまうのは望ましくない。
【００３３】
本発明の発光素子用エピタキシャルウェハ１では、ＭｇやＺｎと共にＣをｐ型ドーパントとしてドープすることで、ＭｇやＺｎの拡散、及びＭｇとＺｎの相互拡散を抑えて、ｐ型クラッド層７やｐ型ＧａＡｓキャップ層８におけるキャリア濃度の均一性を保つようにしている。
【００３４】
ここで、活性層５中の原子濃度は、Ｚｎ原子が１．１×１０16ｃｍ-3以上１．８×１０16ｃｍ-3以下、Ｍｇ原子が１．０×１０16ｃｍ-3以上１．６×１０16ｃｍ-3以下、Ｃ原子が５．０×１０15ｃｍ-3以下の範囲であることが好ましい。活性層５中のＺｎ、ＭｇおよびＣの原子濃度がこの範囲であれば、半導体発光素子特性を安定させることができ、また、Ｚｎ、Ｍｇの拡散を想定して設計された素子の構造および素子工程などの製造条件変更が必要ない。
【００３５】
また、ｐ型クラッド層７のＣ原子濃度は、４．０×１０17ｃｍ-3以上９．０×１０17ｃｍ-3以下が好ましい。
【００３６】
この発光素子用エピタキシャルウェハ１の製造には、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）が用いられる。すなわち、気相成長装置内に設置したｎ型ＧａＡｓ基板２を加熱し、加熱したｎ型ＧａＡｓ基板２に、各エピタキシャル層に必要なIII族原料ガス、Ｖ族原料ガス、キャリアガスおよびドーパント原料ガスを供給し、ｎ型ＧａＡｓ基板２上にIII−Ｖ族化合物半導体のエピタキシャル層を順次成長させて形成する。
【００３７】
III族原料ガスとしては、例えば、Ａｌ（ＣＨ3）3（ＴＭＡ：トリメチルアルミニウム）、Ａｌ（Ｃ2Ｈ5）3、Ｇａ（ＣＨ3）3（ＴＭＧ：トリメチルガリウム）、Ｇａ（Ｃ2Ｈ5）3、Ｉｎ（ＣＨ3）3（ＴＭＩ：トリメチルインジウム）、Ｉｎ（Ｃ2Ｈ5）3を用い、またはこれらを組み合わせて用いる。
【００３８】
また、Ｖ族原料ガスとしては、例えば、ＰＨ3（フォスフィン）、ＴＢＰ（ターシャリーブチルホスフィン）、ＡｓＨ3（アルシン）、Ａｓ（ＣＨ3）3、ＴＢＡ（ターシャリーブチルアルシン）、ＮＨ3（アンモニア）を用い、またはこれらを組み合わせて用いる。
【００３９】
キャリアガスとしては、Ｈ2（水素）、Ｎ2（窒素）もしくはＡｒ（アルゴン）を用い、またはこれらを組み合わせて用いる。
【００４０】
ｎ型ドーパント原料ガスとしては、例えば、Ｓｉ2Ｈ6（ジシラン）、ＳｉＨ4（シラン）、Ｈ2Ｓｅ、Ｔｅ（Ｃ2Ｈ5）2を用い、またはこれらを組み合わせて用いる。
【００４１】
ｐ型ドーパントのＣのドーピングとしては、III族原料ガスとＶ族原料ガスとのＶ／III比の調整による有機金属原料からのオートドーピング、または成長温度の調整による有機金属原料からのオートドーピング、またはＣＢｒ4（四臭化炭素）ガスを用いる方法がある。
【００４２】
Ｃのドーピングを、成長温度およびＶ／III比の調整による有機金属原料からのオートドーピングにより行う場合には、ｐ型クラッド層７のＣのオートドーピングを、成長温度６３０℃以上６８０℃以下、Ｖ／III比９５以上１７５以下で行い、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８のＣのオートドーピングを、成長温度６３０℃以上６８０℃以下、Ｖ／III比１０以上４０以下で行うとよい。これにより、上述の最適な拡散を実現できる。
【００４３】
ｐ型ドーパントのＭｇのドーピングとしては、Ｃｐ2Ｍｇを用いる。ｐ型ドーパントのＺｎのドーピングとしては、ＤＥＺ（ジエチル亜鉛）、ＤＭＺ（ジメチル亜鉛）を用いる。
【００４４】
本発明では、上記のドーピング方法でｐ型クラッド層７の成長時に、ｐ型キャリアとしてＣとＭｇを含有させている。ＣはＭｇよりも拡散が少ないため、Ｍｇドーピングのみに比べて、ｐ型クラッド層７の近傍層である活性層５への拡散を低減できる。
【００４５】
適度に拡散させたい場合（つまり、活性層５中のＭｇ原子濃度を高くする場合）は、ｐ型クラッド層７中のＣとＭｇのドーピング割合をＭｇが増すように調整すればよい。
【００４６】
また、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８の成長時には、ｐ型キャリアとしてＣとＺｎを含有させている。ｐ型ＧａＡｓキャップ層８とｐ側電極との接触抵抗を可能な限り低くする必要性から、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８にはｐ型クラッド層７より一桁以上高いキャリア濃度が要求されるが、ＭｇをＧａＡｓに高濃度ドーピングすることができないからである。そのため、ＺｎとＭｇではＭｇの方が拡散定数は小さいが、Ｚｎを用いている。
【００４７】
ＣはＺｎよりも拡散が少ないため、Ｚｎドーピングのみに比べて、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８からｐ型クラッド層７へのＺｎの拡散量を抑え、ｐ型クラッド層７に拡散したＺｎの活性層５への拡散を低減できる。
【００４８】
適度に拡散させたい場合（つまり、活性層５中のＺｎ原子濃度を高くする場合）は、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８中のＣとＺｎのドーピング割合をＺｎが増すように調整すればよい。
【００４９】
また、ｐ型クラッド層７やｐ型ＧａＡｓキャップ層８を完全にＣのみのドーピングとする場合には、成長温度を大きく下げたり、III族原料ガスとＶ族原料ガスとのＶ／III比を大きく下げたりしなければならない場合がある（一般にＣはドーピングしにくい）。
【００５０】
一方でそのような製造条件は結晶性の低下を引き起こすことがあったが、本発明では比較的ドーピングしやすいＭｇやＺｎのドーピングも同時に行うため、Ｃのみのドーピングとする場合ほど成長温度やＶ／III比を大きく下げる必要はない。
【００５１】
本発明の発光素子用エピタキシャルウェハ１では、ｐ型クラッド層７にＣとＭｇが、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８にＣとＺｎがドープされている。ｐ型ドーパントとして拡散しにくいＣを併用することで、ｐ型不純物としてのＺｎやＭｇのドーピング量を低減し、ｐ型クラッド層７、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８からの活性層５へのＺｎやＭｇの拡散を所望の範囲にすることができる。
【００５２】
そのため、本発明の発光素子用エピタキシャルウェハ１を用いることにより、従来の素子作製プロセスを大きく変更することなく、動作電流値Ｉopが低く、信頼性が高い高寿命の発光素子を得ることができる。
【００５３】
また、従来のようにｐ型クラッド層のｐ型不純物にＺｎまたはＭｇを用いた場合には、ＺｎまたはＭｇの活性層への拡散によって結晶性が悪化し、その結果、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を行って評価すると、ＺｎまたはＭｇドーピング量の増加に伴って発光スペクトルの半値幅が急激に増大してしまう。
【００５４】
特に、Ｚｎの場合、キャリア濃度が６．０×１０17ｃｍ-3以上になると、その傾向は顕著となるため、従来にあっては、ｐ型クラッド層のキャリア濃度を４．０×１０17ｃｍ-3程度に低く抑えていた。ｐ型クラッド層のキャリア濃度が低いと、動作電流値Ｉopが悪化してしまう。
【００５５】
これに対して、本発明では、ｐ型クラッド層７のキャリア濃度を８．０×１０17ｃｍ-3以上としても、ドーピングされた不純物のある一定割合が拡散の少ないＣであるので、活性層５への拡散が少なく、拡散による結晶性の悪化を抑制でき、ＰＬ発光の半値幅を低く維持することができる。
【００５６】
本実施の形態においては、ｐ型クラッド層７のドーピングはＣ＋Ｍｇであるが、Ｃ＋ＺｎまたはＣ＋Ｍｇ＋Ｚｎでもよい。同様に、本発明のｐ型ＧａＡｓキャップ層８のドーピングはＣ＋Ｚｎであるが、Ｃ＋ＭｇまたはＣ＋Ｍｇ＋Ｚｎでもよい。
【００５７】
また、本実施の形態において、ｎ型ＧａＡｓ基板２とｎ型クラッド層３との間にバッファ層を設けたり、アンドープガイド層４、６を省いたり、活性層５を多重量子井戸構造に変更したり、あるいはｐ型ＧａＡｓキャップ層８をＡｌＧａＡｓ、ＧａＰなどの他のｐ型半導体層に変更したりするなど種々に変更可能である。
【実施例】
【００５８】
（実施例）
本実施例では、一例としてＤＶＤの読み書き用の光源として用いられる赤色レーザーダイオード用のＬＤ用エピタキシャルウェハを作製した。その構造は図１に示した発光素子用エピタキシャルウェハと同様である。
【００５９】
本実施例のＬＤ用エピタキシャルウェハは、ｎ型ＧａＡｓ基板２（厚さ５００μｍ、目標とするキャリア濃度８．０×１０17ｃｍ-3）上に、Ｓｉドープのｎ型（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｎ型クラッド層３（厚さ２．５μｍ、目標とするキャリア濃度８．０×１０17ｃｍ-3）、アンドープ（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるアンドープガイド層４（厚さ０．０２μｍ）、アンドープ（Ａｌ0.05Ｇａ0.95）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる活性層５、アンドープ（Ａｌ0.3Ｇａ0.7）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるアンドープガイド層６（厚さ０．０２μｍ）、ＣおよびＭｇドープのｐ型（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなるｐ型クラッド層７（厚さ２．０μｍ、目標とするキャリア濃度１．０×１０18ｃｍ-3）、ＣおよびＺｎドープのｐ型ＧａＡｓキャップ層８（厚さ１．５μｍ、目標とするキャリア濃度３．０×１０19ｃｍ-3）のエピタキシャル層を順次積層したものである。
【００６０】
このＬＤ用エピタキシャルウェハは、気相成長装置の反応炉内にｎ型ＧａＡｓ基板を設置し、ＭＯＶＰＥ法を用いて作製した。成長温度（ｎ型ＧａＡｓ基板に対向する面に設置した放射温度計で測定したｎ型ＧａＡｓ基板の表面温度）は８００℃、成長圧力（反応炉内の圧力）は約１０６６６Ｐａ（８０Ｔｏｒｒ）、キャリアガスは水素である。
【００６１】
各エピタキシャル層の成長時に供給した原料流量は次の通りである。
【００６２】
ｎ型クラッド層３では、ＴＭＧ：０．０１２（Ｌ／分）、ＴＭＡ：０．００４（Ｌ／分）、ＴＭＩ：０．０２（Ｌ／分）、Ｓｉ2Ｈ6：０．５１（Ｌ／分）、ＰＨ3：１．８（Ｌ／分）である。
【００６３】
アンドープガイド層４では、ＴＭＧ：０．０１４（Ｌ／分）、ＴＭＡ：０．００３（Ｌ／分）、ＴＭＩ：０．０２（Ｌ／分）、ＰＨ3：１．８（Ｌ／分）である。
【００６４】
活性層５では、ＴＭＧ：０．０１６（Ｌ／分）、ＴＭＡ：０．００２（Ｌ／分）、ＴＭＩ：０．０２４（Ｌ／分）、ＰＨ3：１．８（Ｌ／分）である。
【００６５】
アンドープガイド層６では、ＴＭＧ：０．０１４（Ｌ／分）、ＴＭＡ：０．００３（Ｌ／分）、ＴＭＩ：０．０２（Ｌ／分）、ＰＨ3：１．８（Ｌ／分）である。
【００６６】
ｐ型クラッド層７では、ＴＭＧ：０．０１２（Ｌ／分）、ＴＭＡ：０．００４（Ｌ／分）、ＴＭＩ：０．０２（Ｌ／分）、ＣＢｒ4：０．０２（Ｌ／分）、Ｃｐ2Ｍｇ：０．０４（Ｌ／分）、ＰＨ3：１．８（Ｌ／分）である。
【００６７】
ｐ型ＧａＡｓキャップ層８では、ＴＭＧ：０．０１２（Ｌ／分）、ＣＢｒ4：０．０５（Ｌ／分）、ＤＥＺ：０．２（Ｌ／分）、ＡｓＨ3：２（Ｌ／分）である。
【００６８】
アンドープ（Ａｌ0.05Ｇａ0.95）0.5Ｉｎ0.5Ｐからなる活性層５中のＺｎ、Ｃ、Ｍｇの各原子濃度は、Ｚｎ原子が１．１×１０16ｃｍ-3以上１．８×１０16ｃｍ-3以下、Ｍｇ原子が１．０×１０16ｃｍ-3以上１．６×１０16ｃｍ-3以下、Ｃ原子が５．０×１０15ｃｍ-3以下の範囲であることが好ましい。実施例では、活性層５中のＺｎ、Ｃ、Ｍｇ原子濃度が所望の範囲となるように、ｐ型クラッド層７中のｐ型ドーパントであるＣＢｒ4、Ｃｐ2Ｍｇを調整し、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８中のｐ型ドーパントであるＣＢｒ4、ＴＭＺを調整した。
【００６９】
例えば、活性層５中のＺｎ原子濃度を高くする場合には、ｐ型クラッド層７へのＭｇドーピング量を増やし、ＺｎとＭｇの相互拡散を促進させてもよい。また、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８へのＺｎドーピング量を増やしてＺｎの拡散を促進させてもよい。
【００７０】
本実施例では、ＣＢｒ4を供給することによりＣのドーピングを行ったが、成長温度およびIII族原料とＶ族原料とのＶ／III比の調整による有機金属原料からのオートドーピングにより行う場合には、成長温度を６３０℃以上６８０℃以下とし、Ｖ／III比を、ｎ型クラッド層３、アンドープガイド層４、６では１１５以上１７５以下とし、活性層５では１３０以上１９０以下とし、ｐ型クラッド層７では９５以上１７５以下とし、ｐ型ＧａＡｓキャップ層８では１０以上４０以下としてエピタキシャル成長させるとよい。
【００７１】
また、各層のアルミ組成比は記載値の±０．１、キャリア濃度、厚さは記載値の±１０％の範囲とするとよい。実施例ではｐ型クラッド層７は、（Ａｌ0.65Ｇａ0.35）0.5Ｉｎ0.5Ｐとしたが、（Ａｌ0.55Ｇａ0.45）0.5Ｉｎ0.5Ｐとしてもよい。ｐ型クラッド層のＣ原子濃度は、４．０×１０17ｃｍ-3以上９．０×１０17ｃｍ-3以下が好ましい。
【００７２】
（比較例）
比較例として、実施例のｐ型クラッド層７を、Ｍｇドープのｐ型クラッド層に、またｐ型ＧａＡｓキャップ層８を、Ｚｎドープのｐ型ＧａＡｓキャップ層に変更したＬＤ用エピタキシャルウェハを作製した。
【００７３】
実施例との相違点は、ｐ型クラッド層の成長時に供給するｐ型ドーピング原料が、ＣＢｒ4とＣｐ2ＭｇではなくＣｐ2Ｍｇだけ（原料流量０．０７（Ｌ／分））である点、およびｐ型ＧａＡｓキャップ層の成長時に供給するｐ型ドーピング原料が、ＣＢｒ4とＤＥＺではなくＤＥＺだけ（原料流量０．３（Ｌ／分））である点のみであり、他の成長条件は全て同じである。
【００７４】
（実施例と比較例の比較）
実施例および比較例のＬＤ用エピタキシャルウェハに対して、ｐ型クラッド層から活性層にかけてドーパント原料濃度分布を測定した。その結果を図２に示す。
【００７５】
図２に示すように、実施例では比較例よりも活性層でのＭｇ、Ｚｎ濃度が低くなっている。
【００７６】
実施例も比較例もｐ型クラッド層の目標とするキャリア濃度は１．０×１０18ｃｍ-3としたが、比較例では、ｐ型クラッド層中のＭｇドーピング量が多いため、活性層中にＭｇが拡散し、Ｍｇ原子濃度が高くなっている。
【００７７】
これに対し実施例では、ｐ型クラッド層７中のＭｇドーピング量が少なく、活性層５中のＭｇ原子濃度も低く抑えられている。また、実施例ではｐ型ＧａＡｓキャップ層８からの活性層５へのＺｎの拡散原子濃度も低く抑えられていることが分かる。
【００７８】
ここでは、ｐ型クラッド層から活性層へのＭｇの拡散について述べたが、同様にｐ型ＧａＡｓキャップ層から活性層へのＺｎの拡散も同様に抑制することができる。
【００７９】
実施例と比較例のＬＤ用エピタキシャルウェハからＬＤを作製し、動作電流値Ｉopを測定したところ、実施例のＬＤ用エピタキシャルウェハから作製したＬＤの動作電流値Ｉopは６７（ｍＡ）、比較例のＬＤ用エピタキシャルウェハから作製したＬＤの動作電流値Ｉopは８０（ｍＡ）であった。
【００８０】
以上より、実施例のＬＤ用エピタキシャルウェハでは、ＬＤの動作電流値Ｉopを低く抑えることができ、ＬＤの信頼性・長寿命化が図れることが確認された。
【００８１】
本実施例では、ＬＤ用エピタキシャルウェハについて述べたが、本発明を他の発光素子用エピタキシャルウェハ、例えばＬＥＤ用エピタキシャルウェハなどに適用しても同様に、発光素子の信頼性・長寿命化が図れる。
【符号の説明】
【００８２】
１ 発光素子用エピタキシャルウェハ
２ ｎ型ＧａＡｓ基板
３ ｎ型クラッド層
５ 活性層
７ ｐ型クラッド層
８ ｐ型ＧａＡｓキャップ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型ＧａＡｓ基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層およびｐ型ＧａＡｓキャップ層を順次積層したダブルヘテロ構造を有する発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
前記ｐ型クラッド層中のｐ型不純物が炭素とマグネシウムを含み、前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層中のｐ型不純物が炭素と亜鉛を含むことを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項２】
前記活性層中の炭素原子濃度が、５．０×１０15ｃｍ-3以下であり、前記ｐ型クラッド層中の炭素原子濃度が、４．０×１０17ｃｍ-3以上９．０×１０17ｃｍ-3以下である請求項１に記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項３】
前記活性層中の亜鉛原子濃度が、１．１×１０16ｃｍ-3以上１．８×１０16ｃｍ-3以下である請求項１または２に記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項４】
前記活性層中のマグネシウム原子濃度が、１．０×１０16ｃｍ-3以上１．６×１０16ｃｍ-3以下である請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項５】
加熱されたｎ型ＧａＡｓ基板に、III族原料ガス、Ｖ族原料ガス、キャリアガスおよびドーパント原料ガスを供給して、前記ｎ型ＧａＡｓ基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を有するダブルヘテロ構造およびｐ型ＧａＡｓキャップ層を有するエピタキシャル層を成長させる発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法において、
前記ｐ型クラッド層の成長時に、炭素とマグネシウムを同時にドーピングし、前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の成長時に、炭素と亜鉛を同時にドーピングすることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法。
【請求項６】
前記ｐ型クラッド層および前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の炭素のドーピングは、ドーパント原料ガスとしてＣＢｒ4を供給することにより行う請求項５に記載の発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法。
【請求項７】
前記ｐ型クラッド層および前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の炭素のドーピングは、成長温度およびIII族原料とＶ族原料とのＶ／III比の調整による有機金属原料からのオートドーピングにより行う請求項５に記載の発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法。
【請求項８】
前記ｐ型クラッド層の炭素のオートドーピングは、成長温度６３０℃以上６８０℃以下、Ｖ／III比９５以上１７５以下で行い、前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の炭素のオートドーピングは、成長温度６３０℃以上６８０℃以下、Ｖ／III比１０以上４０以下で行う請求項７に記載の発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法。
【請求項１】
ｎ型ＧａＡｓ基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層およびｐ型ＧａＡｓキャップ層を順次積層したダブルヘテロ構造を有する発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、
前記ｐ型クラッド層中のｐ型不純物が炭素とマグネシウムを含み、前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層中のｐ型不純物が炭素と亜鉛を含むことを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項２】
前記活性層中の炭素原子濃度が、５．０×１０15ｃｍ-3以下であり、前記ｐ型クラッド層中の炭素原子濃度が、４．０×１０17ｃｍ-3以上９．０×１０17ｃｍ-3以下である請求項１に記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項３】
前記活性層中の亜鉛原子濃度が、１．１×１０16ｃｍ-3以上１．８×１０16ｃｍ-3以下である請求項１または２に記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項４】
前記活性層中のマグネシウム原子濃度が、１．０×１０16ｃｍ-3以上１．６×１０16ｃｍ-3以下である請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項５】
加熱されたｎ型ＧａＡｓ基板に、III族原料ガス、Ｖ族原料ガス、キャリアガスおよびドーパント原料ガスを供給して、前記ｎ型ＧａＡｓ基板上に、少なくともＡｌＧａＩｎＰ系材料からなるｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を有するダブルヘテロ構造およびｐ型ＧａＡｓキャップ層を有するエピタキシャル層を成長させる発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法において、
前記ｐ型クラッド層の成長時に、炭素とマグネシウムを同時にドーピングし、前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の成長時に、炭素と亜鉛を同時にドーピングすることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法。
【請求項６】
前記ｐ型クラッド層および前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の炭素のドーピングは、ドーパント原料ガスとしてＣＢｒ4を供給することにより行う請求項５に記載の発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法。
【請求項７】
前記ｐ型クラッド層および前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の炭素のドーピングは、成長温度およびIII族原料とＶ族原料とのＶ／III比の調整による有機金属原料からのオートドーピングにより行う請求項５に記載の発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法。
【請求項８】
前記ｐ型クラッド層の炭素のオートドーピングは、成長温度６３０℃以上６８０℃以下、Ｖ／III比９５以上１７５以下で行い、前記ｐ型ＧａＡｓキャップ層の炭素のオートドーピングは、成長温度６３０℃以上６８０℃以下、Ｖ／III比１０以上４０以下で行う請求項７に記載の発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−２４５４３５（Ｐ２０１０−２４５４３５Ａ）
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９４８９９（Ｐ２００９−９４８９９）
【出願日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１０月２８日（２０１０．１０．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月９日（２００９．４．９）
【出願人】（０００００５１２０）日立電線株式会社 (3,358)
【Ｆターム（参考）】
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