JP2004035314A - エピタキシャルウエハの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガリウムヒ素(GaAs)単結晶基板の基板温度TをT1に設定し、単結晶基板と同一組成のホモ層をエピタキシャル成長させる。次いで、基板温度TをT1からT2に上昇させると共にT2に維持した状態で、GaAs1−xPx(x=0→0.17)組成変化層をエピタキシャル成長させる。更に、基板温度TをT2からT3まで下降させながら、GaAs1−xPx組成一定層(x=0.17)をエピタキシャル成長させ、エピタキシャルウエハを得る。そして、得られたエピタキシャルウエハの組成一定層の表面から亜鉛を熱拡散させ、導電型がp型のp層を形成する。
【選択図】 図2
Description
【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GaAs1−xPx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GaAs1−xPx(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GaAs1−xPx組成変化層、目的の発光波長に相当する混晶比x0のGaAs1−x0Px0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、この基板の基板温度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III−V族化合物半導体からな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GaAs1−xPx(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GaAs1−xPx(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GaAs1−xPx(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、GaAs1−xPx(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GaAs1−xPx(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GaAs1−xPx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GaAs1−xPx(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GaAs1−xPx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】GaAs1−xPx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 (11)
- 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III−V族化合物半導体からな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、GaAs1−xPx(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、GaAs1−xPx(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。
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