JP3525704B2 - りん化ひ化ガリウムエピタキシャルウエハ及び発光ダイオード - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はりん化ひ化エピタキ
シャルウエハ及び発光ダイオード（以下「ＬＥＤ」）に
存する。

【０００２】

【従来の技術】半導体結晶を構成材料とするＬＥＤは表
示用素子として現在幅広く用いられており、その中でも
III−Ｖ族化合物半導体はそのほとんどの材料として用
いられている。III−Ｖ族化合物半導体は可視光、赤外
光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きた。その中でもＧａＡｓＰは
ＬＥＤ用として需要は大きく、ＬＥＤの特性として発光
出力と寿命が最も重要であり、この品質の向上が要求さ
れてきた。

【０００３】ＧａＡｓ_1-xＰ_x（０．４５≦ｘ≦１）を発
光層とするＬＥＤは、発光効率を上げるため、アイソエ
レクトロニックトラップとして窒素（Ｎ）をドープして
光出力を向上させている。一般には石英製のリアクタを
用いた気相成長法により、Ｎ型の層だけ成長した後に、
発光層表面に亜鉛を拡散してＰ型の層を形成してＰＮ接
合を形成し、これにより安定にＬＥＤを得るようにして
いる。

【０００４】図２にＧａＡｓＰエピタキシャルウエハの
一般的な構造を示す。例として単結晶基板がＧａＰであ
る場合で説明する。図２においてＮ型のＧａＰ単結晶基
板２０上に、基板と同一組成のホモ層２４、基板と最上
層の格子定数の差を緩和するために混晶比ｘを連続的に
１．０〜ｘ₀まで変化させたＧａＡｓ_1-xＰ_xグレード組
成層２１、ＧａＡｓ_1-x0Ｐ_x0一定組成層２２、窒素をド
ープしたＧａＡｓ_1-x0Ｐ_x0低キャリア濃度一定組成層２
３を順次エピタキシャル成長した構造からなっている。
エピタキシャルウエハの最上層である低キャリア濃度一
定組成層２３は発光層となり、ＬＥＤの発光波長を得る
ための一定組成ｘ₀をもち、窒素と、Ｎ型のドーパント
であるテルル（Ｔｅ）又は硫黄（Ｓ）を所定のキャリア
濃度になるようにドープしている。通常は赤色発光（波
長６４０ｎｍ）用としては、ｘ₀＝約０．６０である。
窒素（Ｎ）はＧａＡｓＰ中にドープされると発光センタ
ーとなるアイソエレクトロニックトラップとなる。アイ
ソエレクトロニックトラップは電気的には不活性でキャ
リア濃度には寄与しない。発光層に窒素をドープするこ
とで発光効率を約１０倍高めている。

【０００５】この様に、Ｎ型の単結晶基板上にＮ型のエ
ピタキシャル層を形成してなるＧａＡｓＰエピタキシャ
ルウエハをＬＥＤとするためには、まず、ＰＮ接合を形
成する。通常、Ｎ型のエピタキシャル層表面に亜鉛（Ｚ
ｎ）を熱拡散してＰＮ接合を形成するが、Ｐ型のドーパ
ントを導入しながら、Ｐ型のＧａＡｓＰエピタキシャル
層を表面に新たに形成することもできる。次いで、図４
に示す様に、エピタキシャル層１６中にＰＮ接合１７を
形成したエピタキシャルウエハの表面と、ＧａＰ基板側
にオーミック電極１８を形成して、素子分離してＬＥＤ
が製造される。

【０００６】発光層の結晶の完全性が破壊されるのを最
小限にとどめ、注入されたキャリアの寿命を長くして高
光出力のＬＥＤを得るためには、キャリア濃度を３．５
〜８．８×１０¹⁵ｃｍ^-3にすれば良い（特公昭５８−１
５３９号公報）。さらにキャリア濃度を３×１０¹⁵ｃｍ
^-3以下にすれば、光出力の向上と長寿命化が同時に実現
できる（特開平６−１９６７５６号公報）。ただし、そ
の後の検討の結果、０．５×１０¹⁵ｃｍ^-3以下となる
と、ＬＥＤの順方向電圧が増加し、不良を生じる場合が
あることが判明したので、これ以上のキャリア濃度であ
ることが好ましい。

【０００７】発光層以外のエピタキシャル層はＬＥＤ化
したときの抵抗を低減するために、０．５〜５×１０¹⁷
ｃｍ^-3程度のキャリア濃度とすることが一般的である。
これ以下ではＬＥＤの順方向電圧の増加をまねき、これ
以上であれば、キャリア濃度の増加に従い結晶欠陥が増
加して発光した光が吸収され、ＬＥＤの光出力の低下を
招く。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】これまでは概ね発光層
のキャリア濃度を最適化させることで高光出力化と長寿
命化を実現してきた。しかし、需要の多様化により、さ
らに一層の長寿命が要求されるようになった。例えば、
自動車に搭載した時ＬＥＤを頻繁に交換することは不可
能であり、運転の安全面からも信頼性に対する要求が一
層厳しくなるのは当然である。ＬＥＤの用途の多様化に
より、特に信頼性の要求が極めて高いＬＥＤが要求され
ることになった。現在では技術の進歩により、すでに高
光出力が得られている。ＬＥＤの光出力の向上よりも、
むしろＬＥＤの信頼性を要求する品質が必要となった。

【０００９】本発明の目的は、一層の長寿命を実現し得
るＬＥＤ及びその材料となるＧａＡｓ_1-xＰ_x（０．４５
＜ｘ＜１）エピタキシャルウエハを提供することであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで本発明者は、かか
る課題を解決すべく鋭意検討の結果、ＬＥＤの寿命を向
上させるには、ＰＮ接合部分の発熱減少が長寿命化に有
効と考えれば、とくにＰＮ接合近傍にキャリア濃度を特
に高めた高キャリア濃度領域１５を形成すれば良いと考
えた。

【００１１】図２の例で考えれば、ＰＮ接合の発熱を抑
制するためには、ＬＥＤの直列抵抗分による発熱を抑え
ることである。ＬＥＤ化するためにＰ型ドーパントであ
るＺｎを発光層である低キャリア濃度一定組成層２３内
に拡散したとき、キャリア濃度が１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上
ドープされるので、Ｐ型の層の比抵抗は問題にならな
い。発光層は前述の通り、高い光出力を得るためには９
×１０¹⁵ｃｍ^-3以下の範囲以外の濃度にドープすること
は困難である。検討の結果ＧａＡｓＰ結晶は混晶である
ため、同じキャリア濃度であれば、ＧａＰやＧａＡｓの
単結晶基板よりも数倍比抵抗が高いことが明らかになっ
た。ＰＮ接合の発熱を効率的に抑え、直列抵抗を低下さ
せるためには、発光層以外の層のキャリア濃度を高めれ
ば良いことがわかった。具体的には発光層以外の層を、
従来の０．５〜５×１０¹⁷ｃｍ^-3より高いキャリア濃度
に高めれば長寿命のＬＥＤが得られると考えれられた。

【００１２】即ち、本発明の要旨は、Ｎ型の単結晶基板
上に、Ｎ型のＧａＡｓ_1-xＰ_x（０≦ｘ≦１）エピタキシ
ャル層を有してなるりん化ひ化ガリウムエピタキシャル
ウエハにおいて、該エピタキシャル層は、その表面側
に、キャリア濃度が６．５×１０¹⁷ｃｍ^-3未満で層厚２
μｍ以上の低キャリア濃度領域を有し、かつ該低キャリ
ア濃度領域の基板側に隣接してキャリア濃度が６．５×
１０¹⁷ｃｍ^-3以上である層厚３μｍ以上の高キャリア濃
度領域を有することを特徴とするりん化ひ化ガリウムエ
ピタキシャルウエハ、及びかかるエピタキシャルウエハ
から作成することを特徴とする発光ダイオードに存す
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明エピタキシャルウエ
ハ及び発光ダイオードの具体的実施態様を図１に基づい
て、詳細に説明する。単結晶基板１０は通常ＧａＰ又は
ＧａＡｓの何れかが選択されるが、発光層となる低キャ
リア濃度領域１３がＧａＡｓ_1-xＰ_x（０．４５＜ｘ＜
１）からなる場合は、単結晶基板１０はＧａＰであるこ
とが、ＬＥＤの発光色に対して透明であり、ＬＥＤとし
て高い光出力を得るために好ましい。キャリア濃度は
０．５〜３０×１０¹⁷ｃｍ^-3、好ましくは２〜１０×１
０¹⁷ｃｍ^-3である。

【００１４】本発明におけるエピタキシャル層は、その
表面側、即ち、基板とは反対側に、キャリア濃度が６．
５×１０¹⁷ｃｍ^-3未満で層厚２μｍ以上の低キャリア濃
度領域１３を有し、かつ該低キャリア濃度領域１３の基
板側に隣接して、キャリア濃度が６．５×１０¹⁷ｃｍ^-3
以上、好ましくは６．５×１０¹⁷〜３０×１０¹⁷ｃｍ ^-3
である層厚３μｍ以上の高キャリア濃度領域１５を有す
る。

【００１５】一方、ＧａＡｓ_1-xＰ_x（０≦ｘ≦１、場合
により０＜ｘ＜１）エピタキシャル層を、キャリア濃度
でなく、組成の観点から見た場合、通常、少なくともグ
レード組成層１１及び一定組成層１２を有する。このほ
か、単結晶基板１０と同じ結晶であるホモ層１３は特に
形成しなくとも可能だが、ミスフィット転位の発生を抑
制するためにホモ層１４を０．１〜１００μｍ、好まし
くは０．５〜１５μｍ形成した方が、安定に高輝度が得
られるので好ましい。ホモ層１４のキャリア濃度は、概
ねグレード組成層１１の成長開始点と同じであることが
好ましい。グレード組成層１１の層厚は、好ましくは２
〜１００μｍ、より好ましくは１０〜３５μｍである。

【００１６】低キャリア濃度領域１３と高キャリア濃度
領域１５との境界は、通常前記一定組成層１２内に存す
るが、グレード組成層１１内でもよく、或いはグレード
組成層１１と一定組成層の境界と一致していても、高キ
ャリア濃度領域１２の厚さが３μｍ以上確保されていれ
ばよい。ただし、グレード組成層１１内で発生したミス
フィット転位等の結晶欠陥の影響を少なくして、より結
晶性の良い低キャリア濃度領域１３を得るためには、図
１の様に、高キャリア濃度領域１５と低キャリア濃度領
域１３の境界が一定組成層内にあることが好ましく、特
に、高キャリア濃度領域１５の表面側２〜２５μｍ程度
が一定組成であることが好ましい。

【００１７】高キャリア濃度領域１５内ではキャリア濃
度は多少変動しても良い。本発明においては、キャリア
濃度６．５×１０¹⁷ｃｍ^-3を境に、それより上を高キャ
リア濃度領域、下を低キャリア濃度領域と機械的に定義
するが、実際には境界近傍における両者のキャリア濃度
はかけはなれていることが多い。高キャリア濃度領域１
５から低キャリア濃度領域１３へのキャリア濃度の遷移
は、通常急峻であるが、段階的であってもよい。段階的
に遷移させる場合、中間的なキャリア濃度の領域（かか
る領域も、本発明においては、高キャリア濃度領域又は
低キャリア濃度領域のいずれかに分類される）が、２０
μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下とすれば、寿命向上
の効果が得られやすい。高キャリア濃度領域１５のキャ
リア濃度は３０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であれば、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等の問題がなく好ま
しい。また、層厚が３μｍ以上で顕著な寿命向上の効果
が見られ、６０μｍ以下ならＬＥＤの光出力が低下する
問題なく好ましい。

【００１８】低キャリア濃度領域１３は、平均キャリア
濃度が９×１０¹⁵ｃｍ^-3以下が好ましいが、０．５×１
０¹⁵ｃｍ^-3以下になるとキャリア濃度の制御が困難とな
ったり、比抵抗が高くなってＬＥＤの順方向電圧の増加
を招くことがあるので、好ましい平均キャリア濃度は
０．５〜９×１０¹⁵ｃｍ^-3である。また、層厚は２μｍ
以上である。ただし、この層厚は、その上にＰ型のエピ
タキシャル層を更に成長して形成する場合、或いは既に
かかるＰ層が形成されている場合における必要最小限の
厚さであって、Ｐ型ドーパントの拡散によりＰＮ接合を
低キャリア濃度領域内に形成する場合は、拡散深さが通
常４〜１５μｍなので、低キャリア濃度領域の層厚は５
μｍ以上必要である。５０μｍを超えると高濃度領域１
５から離れすぎるので好ましくない。即ち、ＰＮ接合
は、低キャリア濃度領域を２〜３５μｍ程度残す様に形
成するのが好ましい。

【００１９】低キャリア農度領域内の一定組成層１２の
組成が０．４５＜ｘ＜１の場合、間接遷移型バンド構造
を持つので、発光効率を高めるため、少なくとも低キャ
リア濃度の一定組成層内には、窒素をドープすることが
一般的である。しかし、低キャリア濃度領域外の層の全
部のキャリア濃度を上げてしまえば、発光した光の吸収
を生じる。光吸収が増えれば、ＬＥＤの光出力は低下す
る。また、結晶性の見地から見ても、キャリア濃度を過
度に高めれば、点欠陥などが増加し結晶性が落ちてく
る。結晶性が悪くなれば、光出力の低下ばかりでなく、
光吸収をする結晶欠陥の準位がバンドギャップ内に発生
し、さらに光吸収を増加させる。エピタキシャル成長は
成長前半の影響を後半に大きく影響する。従って、特に
エピタキシャル成長前半はできるだけキャリア濃度を下
げることが、結晶性にとって好ましい。

【００２０】さらに、高い光出力を得るためには、前記
グレード組成層１１のキャリア濃度は単結晶基板１０側
から一定組成層１２に向かっておおむね増加し、グレー
ド組成層１１の後半から終点、及び隣接する一定組成層
内で最大の高キャリア濃度を有する高キャリア濃度領域
１５を有するキャリア濃度プロファイルをもつ構造とす
ることで達せられる。具体的には、前記グレード組成層
１１の前半のキャリア濃度は後半のキャリア濃度よりも
低く、グレード組成層１１開始のキャリア濃度は、概ね
０．５×１０¹⁷〜５×１０¹⁷ｃｍ^-3とすればよい。

【００２１】低キャリア濃度領域１３内の一定組成層は
エピタキシャル層表面に隣接させてエピタキシャル成長
した後、前記表面からＰ型の導電型のドーパント、通常
は亜鉛を低キャリア濃度領域内の一定組成層に拡散させ
ることにより、ＰＮ接合を形成する。ＧａＡｓＰエピタ
キシャルウエハは通常は気相成長法により製造される
が、前述した様に、低キャリア濃度の一定組成層を成長
して、その成長途中から、成長ガス中に例えばＺｎをジ
エチル亜鉛（（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｚｎ）を導入することで、Ｚ
ｎをドープしてＰＮ接合を形成してもよい。

【００２２】また、グレード組成層１１の開始から、終
点もしくは隣接する一定組成層内１２まで、前記キャリ
ア濃度プロファイルを得るために、ドーパントガスをお
おむね増加させながら成長させれば、所定のキャリア濃
度プロファイルを容易に得ることができる。ドーパント
ガスの流量は連続的に増加させても良いが、１段又は複
数段のステップ状増加させても問題ない。ドーパントガ
ス流量はグレード組成層１１の中から一定組成層１２の
間で増加させることが好ましい。

【００２３】グレード組成層１１はミスフィット転位等
の結晶欠陥が多く存在するため、キャリア（電子）の移
動度が低い。同じキャリア濃度でも比抵抗が高くなるの
で、グレード組成層１１の後半から終点付近にかけて、
最大のドーパント流量にすることが好ましい。組成グレ
ード層は、連続的な組成変化だけでなく、複数の階段状
の組成変化であっても、エピタキシャル層の比抵抗は主
にキャリア濃度で決定されるため効果は同じである。

【００２４】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。また英国ポーラロン
社のシミコンダクタ・プロファイル・プロッタの様に、
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
定する方法でも同様に測定できる。

【００２５】製造手法はハイドライド法が量産性、実用
化の面で最も有効である。クロライド法や有機金属気相
法（ＭＯＣＶＤ）でも効果は同じである。

【００２６】

【実施例】以下、本発明を実施例により、更に詳細に説
明するが、本発明はその要旨を超えない限り、下記実施
例により限定されるものではない。 （実施例１〜３及び比較例１〜３）まず、実施例１を説
明する。ＧａＰ基板及び高純度ガリウム（Ｇａ）を、Ｇ
ａ溜め用石英ボ−ト付きのエピタキシャル・リアクタ−
内の所定の場所に、それぞれ設置した。ＧａＰ基板は硫
黄（Ｓ）が２〜１０×１０¹⁷原子個／ｃｍ³添加され、
直径約５０ｍｍの円形で、（１００）面から［００１］
方向に１０゜偏位した面をもつＧａＰ基板を用いた。こ
れらを、同時に回転するホルダー上に配置した。次に窒
素（Ｎ₂）ガスを該リアクタ−内に１５分間導入し空気
を充分置換除去した後、キャリヤ・ガスとして高純度水
素（Ｈ₂）を毎分９６００ｃｃ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−ト設置部分及
びＧａＰ単結晶基板設置部分の温度が、それぞれ８００
℃及び８５０℃一定に保持されていることを確認した
後、ピーク発光波長６４０±５ｎｍ（赤色）のＧａＡｓ
_1-xＰ_xエピタキシャル膜の気相成長を開始した。

【００２７】まず、水素ガスで１００ｐｐｍに希釈した
ｎ型不純物であるジエチルテルル（（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｔｅ）
を毎分１２０ｃｃ導入し、周期律表第III族元素成分と
してのＧａＣｌを、毎分３６９ｃｃ生成させるため高純
度塩化水素ガス（ＨＣｌ）を上記石英ボ−ト中のＧａ溜
に吹き込み、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、Ｈ₂で濃度１０％に希釈
したりん化水素（ＰＨ₃）を毎分７５０ｃｃ導入しつ
つ、２０分間にわたり、第１の層（図１におけるホモ層
１４）であるＧａＰエピタキシャル層をＧａＰ単結晶基
板上に成長させた。

【００２８】次に、ＨＣｌ、ＰＨ_3、（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｔｅの
各ガスの導入量を変えることなく、Ｈ₂で濃度１０％に
希釈したひ化水素（ＡｓＨ₃）の導入量を、毎分０ｃｃ
から毎分４８０ｃｃまで徐々に増加させ、 ９０分間に
わたり、第２のＧａＡｓ_1-xＰ_xエピタキシャル層を第１
のＧａＰエピタキシャル層上に成長させた。次の２０分
間は、（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｔｅ、ＨＣｌ、ＰＨ₃、ＡｓＨ₃の導
入量を変えることなく、保持しつつ、第３のＧａＡｓ
_0.4Ｐ_0.6エピタキシャル層（一定組成層）を第２のＧａ
Ａｓ_1-xＰ_xエピタキシャル層上に成長させた。

【００２９】最終の５０分間は（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｔｅを毎分
０．５ｃｃ導入することで、第４の層（図１におけるＧ
ａＡｓ_1-x0Ｐ_x0Ｎドープ一定組成層１３）である低ドー
プ層のキャリア濃度になるようにして、ＨＣｌ、Ｐ
Ｈ₃、ＡｓＨ₃の導入量を変えることなく導入しながらこ
れに窒素アイソエレクトロニック・トラップ添加用とし
て従来用いられている高純度アンモニア・ガス（Ｎ
Ｈ₃）を毎分４２０ｃｃ導入することで添加して第４の
ＧａＡｓ_1-xＰ_xエピタキシャル層を第３のＧａＡｓ_1-x
Ｐ_xエピタキシャル層上に成長させ、成長を終了した。

【００３０】エピタキシャル膜の第１、第２、第３、第
４のエピタキシャル層の膜厚はおおよそ、それぞれ５μ
ｍ、３０μｍ、８μｍ、２１μｍであった。第４のエピ
タキシャル層のキャリア濃度は、拡散前のエピタキシャ
ルウエハ表面にショットキーバリアダイオードを作製し
て、Ｃ−Ｖ法によって測定し、キャリア濃度は３〜５×
１０¹⁵ｃｍ^-3であった。高ドープ層である第１、第２、
第３のエピタキシャル層のキャリア濃度はエピタキシャ
ル層をラッピングとエッチングによって約１゜の角度で
斜めに除去したあとショットキー・バリアダイオードを
その表面に作製し、Ｃ−Ｖ法によって測定した。測定の
結果、図５に示す通り第２、第３の層のは全体３８μｍ
が６．５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上の高濃度領域となってい
た。キャリア濃度は第２の層と第３の層内で概ね一定で
あるが、グレード第２の層内で第１の層から第３の層方
向に７．５×１０¹⁷ｃｍ^-3から９×１０¹⁷ｃｍ^-3緩やか
な増加を示し、第２の層で一定になっていた。第４の層
に隣接する第３の層全体と、第３の層の終点付近にわた
る１５μｍの範囲の平均のキャリア濃度を高濃度領域の
キャリア濃度とした。高濃度領域１５のキャリア濃度は
９×１０¹⁷ｃｍ^-3であった。成長したエピタキシャルウ
エハをＺｎＡｓ₂を拡散源としてＰ型不純物であるＺｎ
と共に何もコーティングしないで石英アンプル内に真空
封入させて、７６０℃の温度で表面から４μｍの深さま
で拡散した。光出力は光法によって測定した。続いて、
真空蒸着による電極形成等を行って直径２２０μｍ×１
８０μｍ（厚さ）のメサ型のＬＥＤを形成して、寿命試
験を行った。寿命試験の通電条件は、ＴＯ−１８ヘッダ
ーにＬＥＤチップをマウントし、室温で２４０Ａ／ｃｍ
²でＤＵＴＹ（有効通電時間率）＝１／２の５０Ｈｚの
パルス駆動で１６８時間行った。さらに実施例２〜３と
比較例１〜３として、第１の層から第３の層のエピタキ
シャル成長における（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｔｅの導入量を毎分１
５ｃｃ、毎分４０ｃｃ、毎分８０ｃｃ、毎分２００ｃ
ｃ、毎分２６０ｃｃとした以外は、前記と同様にして、
さらに追加して合計５回エピタキシャル成長を繰り返し
た。（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｔｅの導入量を毎分２００ｃｃ、毎分
２６０ｃｃの場合には実用上は問題ない程度であるが、
ピラッミッド状の結晶欠陥がエピタキシャル層表面に部
分的に出現した。すべてエピタキシャル層の膜厚および
第４の層のキャリア濃度は実施例１とほぼ同じであっ
た。第２の層と第３の層にけるキャリア濃度も実施例１
と同様であり、高濃度領域１５のキャリア濃度を同様に
決定した。高濃度領域１５がない比較例は、実施例１と
同じく、第４の層に隣接する第３の層全体と、第３の層
の終点付近にわたる１５μｍの範囲の平均のキャリア濃
度を、高濃度領域１５のキャリア濃度とした。図３にＬ
ＥＤの寿命試験通電後の光出力の残存率及び光出力と高
濃度領域１５のキャリア濃度の関係を示す。図３の点線
で示される光出力は、寿命試験前のＬＥＤの光出力と
し、実線で示される光出力の残存率は寿命試験前と前記
条件で駆動後のＬＥＤの光出力の比率とした。残存率は
従来の高濃度領域が３×１０¹⁷ｃｍ^-3で８７％に対し
て、６．５〜３０×１０¹⁷ｃｍ^-3で９２〜９８％と最も
高かった。光出力は従来の３×１０¹⁷ｃｍ^-3で光出力６
５に対して、９〜３０×１０ ¹⁷ｃｍ^-3で光出力４８であ
った。実用上も光出力３５以上であれば全く問題なく、
特に長寿命を要求するＬＥＤ用としてはむしろ高い光出
力が得られている。光出力は高ドープ層のキャリア濃度
が６×１０¹⁷ｃｍ^-3以下ではほとんど変化がなかった。

【００３１】なお、上記発明においては赤色ＬＥＤのみ
について述べたが、他の発光色の範囲でも全く同じ効果
が得られることは言うまでもない。 （実施例４）（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｔｅの導入量を第１の層のエ
ピタキシャル成長において毎分４０ｃｃとし、第２の層
のエピタキシャル成長において毎分４０ｃｃから毎分２
００ｃｃに徐々に増加させ、第３の層のエピタキシャル
成長において毎分２００ｃｃとした以外は前記実施例と
同様にしてエピタキシャル成長を完了した。ピラッミッ
ド状の結晶欠陥はなく、良好なエピタキシャル層表面が
得られた。

【００３２】同様に各層のキャリア濃度は実施例１〜３
と比較例１〜３と同じように測定した。そのキャリア濃
度プロファイルを図６に示す。グレード組成層のキャリ
ア濃度はホモ層付近で２．５×１０¹⁷ｃｍ^-3で、徐々に
増加して第２の層（グレード組成層）終点付近で最大の
１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3であった。ＬＥＤの光出力と寿命
試験を行ったところ、光出力は５５、光出力の残存率は
９４％であった。高濃度領域を隣接させることで寿命向
上と高い光出力を実現できた。

【００３３】

【発明の効果】この発明によれば、ＧａＡｓＰエピタキ
シャルウエハにおいて、特に優れた寿命をもつＬＥＤ
を、実用上問題とならない光出力の大きな低下をせずに
実現できる。本発明は基板はＧａＰを例にとったが、Ｇ
ａＡｓでも効果は同じである。これにより、ＧａＡｓＰ
のＬＥＤ需要の増加が期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明りん化ひ化ガリウムエピタキシャルウ
ェハの層構成の断面説明図。

【図２】 りん化ひ化ガリウムエピタキシャルウェハの
一般的層構成の断面説明図。

【図３】 発光ダイオードの特性を示すグラフ。実線
は、高濃度領域のキャリア濃度と寿命試験通電後の光出
力の残存率を示し、点線は、高濃度領域のキャリア濃度
と光出力の関係を示す。

【図４】 本発明発光ダイオードの構成の断面説明図。

【図５】 本発明発光ダイオード（実施例１）のキャリ
ア濃度プロファイル。

【図６】 本発明発光ダイオード（実施例４）のキャリ
ア濃度プロファイル。

【符号の説明】

１０ 単結晶基板、１１ グレード組成層、 １２ 一
定組成層、１３ 低キャリア濃度領域、１４ ホモ層、
１５ 高キャリア濃度領域、１６ エピタキシャル層、
１７ ＰＮ接合、１８ 電極 ２０ ＧａＰ単結晶基板、２１ ＧａＡｓ_1-xＰ_xグレー
ド組成層、２２ ＧａＡｓ_1-x0Ｐ_x0一定組成層、２３
窒素ドープＧａＡｓ_1-x0Ｐ_x0低キャリア濃度一定組成
層、２４ ＧａＰホモ層 Ａ ＧａＰ基板、Ｂ ホモ層、Ｃ グレード組成層、Ｄ
高キャリア濃度一定組成層、Ｅ 低キャリア濃度領
域、Ｆ 高キャリア濃度領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−335716（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−196756（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−9984（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−47285（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−328878（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−23578（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−163884（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−335715（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 33/00

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】Ｎ型の単結晶基板上に、Ｎ型のＧａＡｓ
   _1-XＰ_X（０≦ｘ≦１）エピタキシャル層を有してなるり
   ん化ひ化ガリウムエピタキシャルウエハにおいて、該エ
   ピタキシャル層は、その表面側に、キャリア濃度が６．
   ５×１０¹⁷ｃｍ^-3未満で層厚２μｍ以上の低キャリア濃
   度領域を有し、かつ該低キャリア濃度領域の単結晶基板
   側に隣接してキャリア濃度が６．５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上
   である層厚３μｍ以上の高キャリア濃度領域を有するこ
   と、及び、該エピタキシャル層は、少なくともグレード
   組成層及び一定組成層からなり、該グレード組成層のキ
   ャリア濃度は、単結晶基板側から一定組成層に向かって
   増加し、該グレード組成層の後半から終点及び隣接する
   一定組成層のいずれかで最大の高キャリア濃度となるキ
   ャリア濃度プロファイルを有することを特徴とするりん
   化ひ化ガリウムエピタキシャルウエハ。
2. 【請求項２】前記高キャリア濃度領域と低キャリア濃度
   領域との境界が、前記一定組成層内に存することを特徴
   とする請求項１記載のりん化ひ化ガリウムエピタキシャ
   ルウエハ。
3. 【請求項３】前記低キャリア濃度領域は、平均キャリア
   濃度が９×１０¹⁵ｃｍ^-3以下であり、前記高キャリア濃
   度領域は、キャリア濃度が６．５×１０¹⁷〜３０×１０
   ¹⁷ｃｍ^-3であることを特徴とする請求項１又は２に記載
   のりん化ひ化ガリウムエピタキシャルウエハ。
4. 【請求項４】前記グレード組成層の前半の平均キャリア
   濃度は後半の平均キャリア濃度よりも低く、グレード組
   成層の開始キャリア濃度は、０．５×１０¹⁷〜５×１０
   ¹⁷ｃｍ^-3であることを特徴とする請求項１〜３のいずれ
   かに記載のりん化ひ化ガリウムエピタキシャルウエハ。
5. 【請求項５】高キャリア濃度領域は層厚が３〜６０μｍ
   であり、低キャリア濃度領域は層厚が５〜５０μｍであ
   ることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のり
   ん化ひ化ガリウムエピタキシャルウエハ。
6. 【請求項６】低キャリア濃度領域はＧａＡｓ_1-XＰ
   _X（０．４５＜ｘ＜１）からなり、少なくとも窒素がド
   ープされていること特徴とする請求項１〜５のいずれか
   に記載のりん化ひ化ガリウムエピタキシャルウエハ。
7. 【請求項７】単結晶基板が、ＧａＡｓ又はＧａＰからな
   ることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のり
   ん化ひ化ガリウムエピタキシャルウエハ。
8. 【請求項８】前記Ｎ型のＧａＡｓ_1-XＰ_X（０≦ｘ≦１）
   エピタキシャル層上に、更にＰ型のＧａＡｓ_1-XＰ_X（０
   ≦ｘ≦１）エピタキシャル層を有してなることを特徴と
   する請求項１〜７のいずれかに記載のエピタキシャルウ
   エハ。
9. 【請求項９】 請求項８記載のエピタキシャルウエハか
   ら作製することを特徴とする発光ダイオード。