JP7351241B2 - 化合物半導体エピタキシャルウェーハ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオード用の化合物半導体エピタキシャルウェーハ及びその製造方法に関する。
ＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体を材料とする発光ダイオード、例えば燐化砒化ガリウムＧａＡｓ１－ｘＰｘ（但し、０．４５≦ｘ≦１．０）発光ダイオードは、ｎ型の燐化ガリウム（ＧａＰ）もしくは砒化ガリウム（ＧａＡｓ）の単結晶基板上にｎ型の燐化砒化ガリウムＧａＡｓ１－ｘＰｘ（あるいは燐化ガリウム）のエピタキシャル層を複数層形成し、さらに、このエピタキシャル層の最上層にＺｎ等のｐ型不純物を熱拡散することによりｐ－ｎ接合を形成して発光層部を形成することにより得られる。
あるいは、ｎ型の燐化砒化ガリウムＧａＡｓ１－ｘＰｘ（あるいは燐化ガリウム）のエピタキシャル層を形成した後、Ｚｎ等のｐ型不純物を導入しながらｐ型の燐化砒化ガリウムＧａＡｓ１－ｘＰｘ（あるいは燐化ガリウム）を形成することによりｐ－ｎ接合を形成することもできる。
混晶比ｘの選択により赤色から橙色を経て黄色に及ぶ波長領域を実現でき、通常ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）を発光層とする発光ダイオードは、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１０倍程度向上させている。
発光ダイオードは輝度が高く、また発光ダイオードの輝度が使用中に低下しないこと、すなわち寿命が長いことが必要とされている。従来、発光ダイオードの寿命を長くするために、エピタキシャルウェーハのキャリア濃度を低下させる等の手段が講じられてきた。
例えば、特許文献１に開示されているように、窒素をドープした燐化砒化ガリウムＧａＡｓ１－ｘＰｘ層のキャリア濃度を１×１０１５～３×１０１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）とすることにより、不純物起因の結晶性の低下を防止し、輝度の寿命を長くすることができる。
また、特許文献２に開示されているように燐化砒化ガリウムＧａＡｓ１－ｘＰｘ層の窒素濃度、及びそのプロファイルを最適化することにより窒素のサイト間移動、即ち発光サイトを占有していた窒素が発光素子への通電を継続するにつれて、非発光サイトへと移動していく劣化機構を防止し、輝度の寿命を長くすることができる。
しかし、特許文献１で開示されているように、窒素をドープした燐化砒化ガリウムＧａＡｓ１－ｘＰｘ層のキャリア濃度を１×１０１５～３×１０１５（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）としても、その寿命特性は十分に良好とは言えない。特に特許文献３に開示されているような窒素のサイト間移動は、低濃度（サイトが空いた状態）ほど発生し易いという問題がある。
一方で、特許文献２で開示されているような窒素濃度、及びそのプロファイルの最適化のみでは、エピタキシャル成長中に結晶由来で生成された非発光サイトがある場合に、その効果は必ずしも十分とは言えない。
上述したように先行技術で示されているような従来の方法で作製されたエピタキシャルウェーハ、及びそのウェーハを用いて作製された発光ダイオードでは、その寿命特性は十分とは言えない問題がある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、寿命特性が良好な化合物半導体エピタキシャルウェーハ及び、その製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）層とｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）層とにより発光部をなすｐ－ｎ接合界面が形成され、該ｐ－ｎ接合界面を含む部分に窒素濃度が一定となる領域が形成された化合物半導体エピタキシャルウェーハであって、
前記窒素濃度が一定となる領域において、ｎ型ドーパントとしてＴｅが２．０×１０１６～０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の範囲で、前記ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層から前記ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層の方向へ漸減しながらドーピングされているものである化合物半導体エピタキシャルウェーハを提供する。
前記窒素濃度が一定となる領域において、ｎ型ドーパントとしてＴｅが２．０×１０１６～０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の範囲で、前記ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層から前記ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層の方向へ漸減しながらドーピングされているものである化合物半導体エピタキシャルウェーハを提供する。
このような化合物半導体エピタキシャルウェーハから製造される発光素子であれば寿命特性の良好な発光素子とすることができる。
また、基板上にハイドライド気相成長法により、ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）層とｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）層とにより発光部をなすｐ－ｎ接合界面を形成する化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法であって、
前記ｐ－ｎ接合界面を含む部分に窒素をドープし、窒素濃度が一定となる領域を形成し、
該窒素濃度が一定となる領域において、ｎ型ドーパントとしてＴｅを２．０×１０１６～０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の範囲で、前記ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層から前記ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層の方向へ漸減させながらドーピングする化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法を提供する。
前記ｐ－ｎ接合界面を含む部分に窒素をドープし、窒素濃度が一定となる領域を形成し、
該窒素濃度が一定となる領域において、ｎ型ドーパントとしてＴｅを２．０×１０１６～０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の範囲で、前記ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層から前記ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層の方向へ漸減させながらドーピングする化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法を提供する。
このような化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法であれば、寿命特性の良好な発光素子が得られる化合物半導体エピタキシャルウェーハを低コストで簡単に製造することができる。
以上のように、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェーハから製造される発光素子であれば寿命特性の良好な発光素子とすることができる。また、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法であれば、寿命特性の良好な発光素子が得られる化合物半導体エピタキシャルウェーハを低コストで簡単に製造することができる。
上述したように、寿命特性の良好なＧａＡｓＰ発光素子の開発が望まれていた。
本発明者らは寿命特性の良好なＧａＡｓＰ発光素子について検討を重ねたところ、窒素濃度が一定となる領域において、ｎ型ドーパントとしてＴｅが２．０×１０１６～０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の範囲でｎ型層からｐ型層の方向へ漸減させながらドーピングされた化合物半導体エピタキシャルウェーハであれば寿命特性の良好な発光素子が得られることが判り、本発明を完成させた。
即ち、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェーハは、
ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）層とｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）層とにより発光部をなすｐ－ｎ接合界面が形成され、該ｐ－ｎ接合界面を含む部分に窒素濃度が一定となる領域が形成された化合物半導体エピタキシャルウェーハであって、
前記窒素濃度が一定となる領域において、ｎ型ドーパントとしてＴｅが２．０×１０１６～０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の範囲で、前記ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層から前記ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層の方向へ漸減しながらドーピングされているものである化合物半導体エピタキシャルウェーハである。
ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）層とｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）層とにより発光部をなすｐ－ｎ接合界面が形成され、該ｐ－ｎ接合界面を含む部分に窒素濃度が一定となる領域が形成された化合物半導体エピタキシャルウェーハであって、
前記窒素濃度が一定となる領域において、ｎ型ドーパントとしてＴｅが２．０×１０１６～０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の範囲で、前記ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層から前記ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層の方向へ漸減しながらドーピングされているものである化合物半導体エピタキシャルウェーハである。
また、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法は、
基板上にハイドライド気相成長法により、ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）層とｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）層とにより発光部をなすｐ－ｎ接合界面を形成する化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法であって、
前記ｐ－ｎ接合界面を含む部分に窒素をドープし、窒素濃度が一定となる領域を形成し、
該窒素濃度が一定となる領域において、ｎ型ドーパントとしてＴｅを２．０×１０１６～０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の範囲で、前記ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層から前記ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層の方向へ漸減させながらドーピングする化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法である。
基板上にハイドライド気相成長法により、ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）層とｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）層とにより発光部をなすｐ－ｎ接合界面を形成する化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法であって、
前記ｐ－ｎ接合界面を含む部分に窒素をドープし、窒素濃度が一定となる領域を形成し、
該窒素濃度が一定となる領域において、ｎ型ドーパントとしてＴｅを２．０×１０１６～０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の範囲で、前記ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層から前記ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層の方向へ漸減させながらドーピングする化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法である。
以下、本発明について図面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は本発明の化合物半導体エピタキシャルウェーハの一例の断面概略図である。化合物半導体エピタキシャルウェーハ１には、基板として、例えばｎ型単結晶基板であるＧａＰ基板やＧａＡｓ基板を用いることができる。図１に示した例では、ｎ型ＧａＰ基板２上に第１層ｎ型ＧａＰバッファー層３、バッファー層３の上に第２層ｎ型ＧａＡｓ１－ｙＰｙ層４（組成変化層４）、組成変化層４上に第３層ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層５（ｎ型組成一定層５）、ｎ型組成一定層５上に第４層ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層６（ｐ型組成一定層６）が形成されている。このとき、第３層ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層５（ｎ型組成一定層５）と第４層ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層６（ｐ型組成一定層６）とにより発光部をなすｐ－ｎ接合界面７が形成されている。また、ｐ－ｎ接合界面７を含む部分に窒素濃度が略一定となる領域を有する窒素ドープ層８が形成されている。
基板上のバッファー層は、特に限定されず、同一でも異なっていてもよい。例えば、基板と同一の組成とすることができる。即ち、ｎ型ＧａＰ基板２の場合、バッファー層３はｎ型ＧａＰとすることができる。
バッファー層３上に形成されている組成変化層４は、ｎ型ＧａＰ基板２からの距離に応じて組成が変化する層である。具体的には、組成変化層４は、例えばｎ型のＧａＡｓ１－ｙＰｙ（０．４５≦ｙ≦１．０）の層であり、ｎ型ＧａＰ基板２から遠ざかるにつれて混晶率ｙが１から低下するように構成することができる。その混晶率ｙは０．４５≦ｙ≦１．０の間で変化させるのが好ましい。基板と組成一定層の格子定数の差が大きいため、この組成変化層４を形成することでより結晶欠陥の少ない組成一定層を得ることができる。
組成変化層４の上には、ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層５（ｎ型組成一定層５）が形成されている。ｎ型組成一定層５は、その組成（混晶率ｘ）が一定の層とされる。組成一定層５がＧａＡｓ１－ｘＰｘである場合、ＬＥＤの発光波長に対応する値の混晶率ｘが選択される。
このｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層５（ｎ型組成一定層５）には、ドーパントとしてＴｅが用いられている。
ｎ型組成一定層５の上には、ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層６（ｐ型組成一定層６）が形成されている。ｐ型のドーパントとして、例えばＺｎを用いることができる。
そして、ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層６（ｐ型組成一定層６）とｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層５（ｎ型組成一定層５）の界面、即ち発光部をなすｐ－ｎ接合界面７を含むように、アイソ・エレクトロニック・トラップとして窒素濃度が略一定となる領域を有する窒素ドープ層８がある。間接遷移型のバンドギャップを持つＧａＡｓＰに窒素をドープすることで、発光素子の光出力を向上させることができる。
また、窒素ドープ層８において、ｎ型ドーパントとしてＴｅが２．０×１０１６～０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の範囲で、ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層５からｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層６の方向へ漸減しながらドーピングされている。
一般にＧａＡｓＰ系発光素子において、発光中心として振る舞うことのできる窒素は、半導体結晶中において特定のサイト（格子点）を占めているものであり、発光に寄与できないサイト（非発光サイト）が存在する。輝度の劣化機構として、窒素のサイト間移動が考えられ、寿命特性を良くするためには非発光サイトを減らすことが重要となる。
ＧａＡｓＰエピタキシャルウェーハにおいて、ｎ型ドーパントであるＴｅ（テルル）やＳ（硫黄）と同時にＮ（窒素）をドーピングした場合の窒素濃度は、ｎ型ドーパントと窒素を同時にドーピングしなかった場合に比べて低くなる。即ち、ｎ型ドーパントと窒素は同じサイトを占めていると考えられる。
本発明は、非発光サイトをｎ型ドーパントで占めることにより、窒素のサイト間移動を減らし寿命特性の改善を図った。
一方で、ｎ型ドーパントで非発光サイトを占めるためにドーピングを行う場合、そのドーパント（不純物）濃度が高すぎると結晶性が低下し、寿命特性が低下する。
そこで、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェーハは、ｎ型ドーパントを傾斜状にドーピングすること、即ちｐ－ｎ接合界面近傍のｎ型ドーパントは低濃度にし、ｐ型層（接合界面）からｎ型層方向にｎ型ドーパント濃度を漸増することで、ｐ－ｎ接合界面近傍の窒素のサイト間移動の抑制とｎ型ドーパント（不純物）濃度による結晶性の低下を同時に防ぐことができ、寿命特性の改善を実現した。また、ｎ型ドーパントは、Ｔｅを用いることで上記効果が得られる。
次に、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法について、図１～３を参照して説明する。
本発明の化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法は、ハイドライド気相成長（ＨＶＰＥ）法を用いて、化合物半導体エピタキシャルウェーハを製造する。以下では単結晶基板としてｎ型ＧａＰ基板を用いた場合を例に用いて説明するが、これに限定されるものではない。図２に、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法の一例のフローチャートを示す。また、図３に、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法に用いることができる気相成長装置の一例の断面図を示す。図３に示す気相成長装置は、石英ボート２０、エピタキシャル・リアクター２１、ホルダー２２、ガス導入管２３、ヒーター２４、ガリウム（Ｇａ）溜２５を有している。
［準備工程］
まず、単結晶基板Ｗ及び高純度ガリウム（Ｇａ）を、Ｇａ溜め用の石英ボート２０を有するエピタキシャル・リアクター２１内の所定の場所（単結晶基板Ｗはホルダー２２上）に、それぞれ設置する。単結晶基板は、ｎ型ＧａＰ基板の他、例えばｎ型ＧａＡｓ基板などを用いることができる。
まず、単結晶基板Ｗ及び高純度ガリウム（Ｇａ）を、Ｇａ溜め用の石英ボート２０を有するエピタキシャル・リアクター２１内の所定の場所（単結晶基板Ｗはホルダー２２上）に、それぞれ設置する。単結晶基板は、ｎ型ＧａＰ基板の他、例えばｎ型ＧａＡｓ基板などを用いることができる。
［第１層ｎ型ＧａＰバッファー層 形成工程］
次に、ｎ型ＧａＰ基板上にバッファー層を形成する。ガス導入管２３から窒素（Ｎ２）ガスをリアクター２１内に導入し、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）を導入し、Ｎ２の流れを止め、ヒーター２４で加熱して昇温工程に入る。そして、上記Ｇａ入り石英ボート２０設置部分及び単結晶基板Ｗの設置部分の温度が、所定の温度に一定に保持されていることを確認した後に、単結晶基板Ｗと同組成のバッファー層（図１のバッファー層３）の気相成長を開始する。
次に、ｎ型ＧａＰ基板上にバッファー層を形成する。ガス導入管２３から窒素（Ｎ２）ガスをリアクター２１内に導入し、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）を導入し、Ｎ２の流れを止め、ヒーター２４で加熱して昇温工程に入る。そして、上記Ｇａ入り石英ボート２０設置部分及び単結晶基板Ｗの設置部分の温度が、所定の温度に一定に保持されていることを確認した後に、単結晶基板Ｗと同組成のバッファー層（図１のバッファー層３）の気相成長を開始する。
ｎ型ドーパントドープ用ガスをリアクター内に導入し、周期律表第ＩＩＩ族元素成分原料としてのＧａＣｌを生成させるために、高純度塩化水素ガス（ＨＣｌ）を上記石英ボート中のＧａ溜２５に吹き込み、Ｇａ溜上表面より吹き出させる。他方、ｎ型ドーパントドープ用ガスとしてジエチルテルル（ＤＥＴｅ）、及び周期律表第Ｖ族元素成分として高純度燐化水素ガス（ＰＨ３）を導入しつつ、バッファー層を単結晶基板上に形成する。
［第２層ｎ型ＧａＡｓ１－ｙＰｙ層（組成変化層） 形成工程］
バッファー層形成後、バッファー層上に第２層ｎ型ＧａＡｓ１－ｙＰｙ層（組成変化層）を形成する。ＨＣｌとＤＥＴｅの導入量を変えることなく、高純度砒化水素ガス（ＡｓＨ３）の導入量を徐々に増加させ、また同時にＰＨ３の導入量を減少させて、第２層ｎ型ＧａＡｓ１－ｙＰｙ層（組成変化層）をバッファー層上に形成する。
バッファー層形成後、バッファー層上に第２層ｎ型ＧａＡｓ１－ｙＰｙ層（組成変化層）を形成する。ＨＣｌとＤＥＴｅの導入量を変えることなく、高純度砒化水素ガス（ＡｓＨ３）の導入量を徐々に増加させ、また同時にＰＨ３の導入量を減少させて、第２層ｎ型ＧａＡｓ１－ｙＰｙ層（組成変化層）をバッファー層上に形成する。
［第３層ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｎ型組成一定層） 形成工程］
組成変化層形成後、組成変化層上に第３層ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｎ型組成一定層）を形成する。ＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３の導入量を変えることなく、ｎ型ドーパントガスであるＤＥＴｅの導入量を徐々に減少させながら、アイソ・エレクトロニック・トラップ添加用としてＮ（窒素）を含有するガスを導入する。ガスとしては、例えば高純度アンモニアガス（ＮＨ３）を用いることができるが、これに限定されるものではない。
組成変化層形成後、組成変化層上に第３層ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｎ型組成一定層）を形成する。ＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３の導入量を変えることなく、ｎ型ドーパントガスであるＤＥＴｅの導入量を徐々に減少させながら、アイソ・エレクトロニック・トラップ添加用としてＮ（窒素）を含有するガスを導入する。ガスとしては、例えば高純度アンモニアガス（ＮＨ３）を用いることができるが、これに限定されるものではない。
次に、ＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＮＨ３の導入量を変えることなく、ｎ型ドーパントガスであるＤＥＴｅの導入量を更に徐々に減少させ、第３層ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｎ型組成一定層）を第２層ｎ型ＧａＡｓ１－ｙＰｙ層（組成変化層）上に形成する。
［第４層ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｐ型組成一定層） 形成工程］
ｎ型組成一定層形成後、ｎ型組成一定層上に第４層ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｐ型組成一定層）を形成する。ＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＮＨ３の導入量を変えることなく、及びＤＥＴｅの導入量を漸減させながら、ｐ型ドーパントガスであるジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を徐々に所定流量までランピングで増加させながら、ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層を形成する。
ｎ型組成一定層形成後、ｎ型組成一定層上に第４層ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｐ型組成一定層）を形成する。ＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＮＨ３の導入量を変えることなく、及びＤＥＴｅの導入量を漸減させながら、ｐ型ドーパントガスであるジメチル亜鉛（ＤＭＺｎ）を徐々に所定流量までランピングで増加させながら、ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層を形成する。
次に、ＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＤＥＴｅ、ＤＭＺｎの導入量を変えることなく、ＮＨ３の導入量を徐々に減少させＮＨ３の導入を止める。次にＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＤＥＴｅの導入量を変えることなくＤＭＺｎの流量を更に徐々にランピングで増加させてＤＭＺｎの流量を固定し、第４層ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｐ型組成一定層）を第３層ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｎ型組成一定層）上に形成し、気相成長を終了する。
本発明の化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法では、例えば、ＤＥＴｅの導入量を８ｓｃｃｍから１ｓｃｃｍまで、マスフローコントローラー（ＭＦＣ）で流量制御を行いながら、ランピングで徐々に減少させ成長させることができる。また、例えば、リアクター及び配管内の残留ガスを用いてｎ型ドーパント（Ｔｅ）濃度を徐々に減少させることもできる。即ち、供給バルブを閉めることでＤＥＴｅの供給は停止するが、連続的に成長を行うことで、導入配管（ＤＥＴｅ出口～リアクター入口間配管）内の残留ガスがリアクターを通して徐々に排気され、結果としてＭＦＣでの流量制御を行った時と同様なドーピングを行うことができる。
以上のようにして、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法は、図１において断面図として示したような、化合物半導体エピタキシャルウェーハを製造することができる。
以下、実施例を挙げて本発明について詳細に説明するが、これは本発明を限定するものではない。
（実施例１）
ＨＶＰＥ法によって以下の通りエピタキシャルウェーハを作製した。
ＨＶＰＥ法によって以下の通りエピタキシャルウェーハを作製した。
［準備工程］
ｎ型ＧａＰ単結晶基板及び高純度ガリウム（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（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）添加され、直径５０ｍｍの円形で（１００）面から［０１１］方向に１０（°）偏位した面をもつものである。これらを同時にホルダー上に配置し、ホルダーは毎分８回転させた。
ｎ型ＧａＰ単結晶基板及び高純度ガリウム（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（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）添加され、直径５０ｍｍの円形で（１００）面から［０１１］方向に１０（°）偏位した面をもつものである。これらを同時にホルダー上に配置し、ホルダーは毎分８回転させた。
次に窒素（Ｎ２）ガスをリアクター内に２０分間導入し、空気を十分置換除去した後、キャリアガスとして高純度水素（Ｈ２）を毎分６５００ｓｃｃｍ導入し、窒素ガスの流れを止め昇温工程に入った。Ｇａ入り石英ボート設置部分及びＧａＰ単結晶基板設置部分の温度がそれぞれ一定温度に保持されていることを確認した後、ＧａＡｓ１－ｘＰｘエピタキシャル膜の気相成長を開始した。
［第１層ｎ型ＧａＰバッファー層 形成工程］
水素ガスで希釈したｎ型ドーパントガスとしてＤＥＴｅ（ジエチルテルル）を導入し、周期律表第ＩＩＩ族元素成分原料としてＧａＣｌを生成させるため、高純度塩化水素ガス（ＨＣｌ）を上記石英ボート中のＧａ溜めに吹き込み、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、高純度燐化水素ガス（ＰＨ３）を導入しつつ、第１層であるｎ型ＧａＰバッファー層をｎ型ＧａＰ基板上に成長させた。
水素ガスで希釈したｎ型ドーパントガスとしてＤＥＴｅ（ジエチルテルル）を導入し、周期律表第ＩＩＩ族元素成分原料としてＧａＣｌを生成させるため、高純度塩化水素ガス（ＨＣｌ）を上記石英ボート中のＧａ溜めに吹き込み、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、高純度燐化水素ガス（ＰＨ３）を導入しつつ、第１層であるｎ型ＧａＰバッファー層をｎ型ＧａＰ基板上に成長させた。
［第２層ｎ型ＧａＡｓ１－ｙＰｙ層（組成変化層） 形成工程］
バッファー層形成後、ＨＣｌの導入量を変えることなく、高純度砒化水素ガス（ＡｓＨ３）の導入を開始し、導入量を除々に増加させた。また同時にＰＨ３の導入量を減少させて、第２層ｎ型ＧａＡｓ１－ｙＰｙ層（組成変化層）を第１層ｎ型ＧａＰバッファー層上に形成した。
バッファー層形成後、ＨＣｌの導入量を変えることなく、高純度砒化水素ガス（ＡｓＨ３）の導入を開始し、導入量を除々に増加させた。また同時にＰＨ３の導入量を減少させて、第２層ｎ型ＧａＡｓ１－ｙＰｙ層（組成変化層）を第１層ｎ型ＧａＰバッファー層上に形成した。
［第３層ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｎ型組成一定層） 形成工程］
組成変化層形成後、ＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３の導入量を変えることなく、ｎ型ドーパントガスであるＤＥＴｅの導入量を徐々に減少させながら、アイソ・エレクトロニック・トラップ添加用として高純度アンモニアガス（ＮＨ３）を導入した。ＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＮＨ３の導入量を変えることなく、ｎ型ドーパントガスであるＤＥＴｅの導入量を更に徐々に減少させ、第３層ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｎ型組成一定層）を組成変化層上に形成した。
組成変化層形成後、ＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３の導入量を変えることなく、ｎ型ドーパントガスであるＤＥＴｅの導入量を徐々に減少させながら、アイソ・エレクトロニック・トラップ添加用として高純度アンモニアガス（ＮＨ３）を導入した。ＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＮＨ３の導入量を変えることなく、ｎ型ドーパントガスであるＤＥＴｅの導入量を更に徐々に減少させ、第３層ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｎ型組成一定層）を組成変化層上に形成した。
［第４層ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｐ型組成一定層） 形成工程］
ｎ型組成一定層形成後、ＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＮＨ３の導入量を変えることなく、及びＤＥＴｅの導入量を漸減させながら、ｐ型ドーパントガスであるＤＭＺｎを徐々に所定流量までランピングで増加させながら、ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層を形成した。次にＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＤＥＴｅ、ＤＭＺｎの導入量を変えることなく、ＮＨ３の導入量を徐々に減少させ、ＮＨ３の導入を止めた。次に、ＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＤＥＴｅの導入量を変えることなくＤＭＺｎ流量を更に徐々にランピングで増加させてＤＭＺｎの流量を固定し、第４層ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｐ型組成一定層）をｎ型組成一定層上に形成した後、気相成長を終了し、化合物半導体エピタキシャルウェーハを製造した。
ｎ型組成一定層形成後、ＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＮＨ３の導入量を変えることなく、及びＤＥＴｅの導入量を漸減させながら、ｐ型ドーパントガスであるＤＭＺｎを徐々に所定流量までランピングで増加させながら、ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層を形成した。次にＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＤＥＴｅ、ＤＭＺｎの導入量を変えることなく、ＮＨ３の導入量を徐々に減少させ、ＮＨ３の導入を止めた。次に、ＨＣｌ、ＰＨ３、ＡｓＨ３、ＤＥＴｅの導入量を変えることなくＤＭＺｎ流量を更に徐々にランピングで増加させてＤＭＺｎの流量を固定し、第４層ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｐ型組成一定層）をｎ型組成一定層上に形成した後、気相成長を終了し、化合物半導体エピタキシャルウェーハを製造した。
なお、化合物半導体エピタキシャルウェーハを製造する際、上記のようにＤＥＴｅの導入量を徐々に減少させながら成長することで、第３層ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｎ型組成一定層）～第４層ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｐ型組成一定層）中の窒素濃度が一定となる領域（窒素濃度一定領域）にｎ型ドーパント（Ｔｅ）を、第３層ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｎ型組成一定層）から第４層ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｐ型組成一定層）の方向へ漸減しながらドープした層（傾斜ドープ）を作製した。また、この時のｎ型ドーパント（Ｔｅ）濃度は、１．０×１０１６から０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）となるように制御を行った。
作製した化合物半導体エピタキシャルウェーハは、第１層ｎ型ＧａＰバッファー層厚は約５μｍ、第２層ｎ型ＧａＡｓ１－ｙＰｙ層（組成変化層）厚は約２０μｍ、第３層ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｎ型組成一定層）厚は約１５μｍ及び第４層ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｐ型組成一定層）厚は約１５μｍであった。また、ｐ－ｎ接合界面を含む窒素濃度一定領域は、約１５μｍであった。
［評価］
このように作製したエピタキシャルウェーハの寿命特性（初期の輝度と通電後の輝度の残存率、即ち、残存率＝（通電後の輝度／初期の輝度）×１００））を評価するため、以下のような手順の評価を行った。
このように作製したエピタキシャルウェーハの寿命特性（初期の輝度と通電後の輝度の残存率、即ち、残存率＝（通電後の輝度／初期の輝度）×１００））を評価するため、以下のような手順の評価を行った。
作製した化合物半導体エピタキシャルウェーハを取出し、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、表面のエピタキシャル層にｐ型電極を形成した。２８０μｍ□サイズにカットした後、ウェーハ外周側から５ｍｍ付近オリエンテーションフラット部（ＯＦ部）及びＯＦ部の反対側の部分（反ＯＦ部）と、ウェーハ中心部の３箇所から２個ずつ計６チップを取出した。取出したチップからＬＥＤランプを作製し、直流電流２０ｍＡを流した時の輝度を測定した。その後５０ｍＡ、２５℃、１６８時間の通電を行い再度輝度の測定を行った。作製直後（初期）の輝度と通電後の輝度の値から残存率を算出した。結果を表１に示す。
（実施例２）
窒素濃度一定領域のｎ型ドーパント（Ｔｅ）濃度を０．９×１０１６から０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に傾斜ドープした以外は実施例１と同じである。結果を表１に併せて示す。
窒素濃度一定領域のｎ型ドーパント（Ｔｅ）濃度を０．９×１０１６から０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に傾斜ドープした以外は実施例１と同じである。結果を表１に併せて示す。
（実施例３）
窒素濃度一定領域のｎ型ドーパント（Ｔｅ）濃度を０．８×１０１６から０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に傾斜ドープした以外は実施例１と同じである。結果を表１に併せて示す。
窒素濃度一定領域のｎ型ドーパント（Ｔｅ）濃度を０．８×１０１６から０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に傾斜ドープした以外は実施例１と同じである。結果を表１に併せて示す。
（実施例４）
窒素濃度一定領域のｎ型ドーパント（Ｔｅ）濃度を２．０×１０１６から０．４×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に傾斜ドープした以外は実施例１と同じである。結果を表１に併せて示す。
窒素濃度一定領域のｎ型ドーパント（Ｔｅ）濃度を２．０×１０１６から０．４×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に傾斜ドープした以外は実施例１と同じである。結果を表１に併せて示す。
（比較例１）
窒素濃度一定領域のｎ型ドーパント（Ｔｅ）濃度を９．０×１０１６から１．８×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に傾斜ドープした以外は実施例１と同じである。結果を表１に併せて示す。
窒素濃度一定領域のｎ型ドーパント（Ｔｅ）濃度を９．０×１０１６から１．８×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に傾斜ドープした以外は実施例１と同じである。結果を表１に併せて示す。
（比較例２）
窒素濃度一定領域のｎ型ドーパント（Ｔｅ）濃度を０．４×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）でフラットにドープした以外は実施例１と同じである。結果を表１に併せて示す。
窒素濃度一定領域のｎ型ドーパント（Ｔｅ）濃度を０．４×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）でフラットにドープした以外は実施例１と同じである。結果を表１に併せて示す。
（比較例３）
ｎ型ドーパントガスとして硫化水素ガス（Ｈ２Ｓ）を用い、窒素濃度一定領域のｎ型ドーパント（Ｓ）濃度を２．０×１０１６から０．４×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に傾斜ドープした以外は実施例１と同じである。結果を表１に併せて示す。
ｎ型ドーパントガスとして硫化水素ガス（Ｈ２Ｓ）を用い、窒素濃度一定領域のｎ型ドーパント（Ｓ）濃度を２．０×１０１６から０．４×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に傾斜ドープした以外は実施例１と同じである。結果を表１に併せて示す。
（比較例４）
ｎ型ドーパントガスとして硫化水素ガス（Ｈ２Ｓ）を用い、窒素濃度一定領域のｎ型ドーパント（Ｓ）濃度を０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）のフラットにドープした以外は実施例１と同じである。結果を表１に併せて示す。
ｎ型ドーパントガスとして硫化水素ガス（Ｈ２Ｓ）を用い、窒素濃度一定領域のｎ型ドーパント（Ｓ）濃度を０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）のフラットにドープした以外は実施例１と同じである。結果を表１に併せて示す。
また、実施例１（傾斜ドープ例）と比較例２（フラットドープ例）のＳＩＭＳプロファイルを図４及び図５に示す。
比較例１では、ｎ型ドーパントをＴｅとし、ｐ－ｎ接合界面を含む窒素濃度一定領域にＴｅ濃度を９．０×１０１６から１．８×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の高濃度で傾斜ドープしたが、輝度の残存率は向上しなかった。また、比較例２では、Ｔｅ濃度を０．４×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）でフラットにドープしたが輝度の残存率は向上しなかった。比較例３では、ｎ型ドーパントをＳとし、ｐ－ｎ接合界面を含む窒素濃度一定領域にＳ濃度を２．０×１０１６から０．４×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に傾斜ドープしたが、輝度の残存率は向上しなかった。また、比較例４では、Ｓ濃度を０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）でフラットにドープしたが輝度の残存率は向上しなかった。
一方、本発明の化合物半導体エピタキシャルウェーハでは、ｎ型ドーパントをＴｅとし、ｐ－ｎ接合界面を含む窒素濃度一定領域に、Ｔｅ濃度を２．０×１０１６～０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の範囲で傾斜ドープすることで輝度の残存率が向上した。
以上のように、本発明に係る化合物半導体エピタキシャルウェーハであれば、寿命特性が良好な化合物半導体エピタキシャルウェーハとすることができる。また、本発明に係る化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法であれば、寿命特性の良好な発光素子が得られる化合物半導体エピタキシャルウェーハを低コストで簡単に製造することができる。
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。
１…化合物半導体エピタキシャルウェーハ（本発明）、
２…ｎ型ＧａＰ基板、
３…第１層ｎ型ＧａＰバッファー層、
４…第２層ｎ型ＧａＡｓ１－ｙＰｙ層（組成変化層）、
５…第３層ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｎ型組成一定層）、
６…第４層ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｐ型組成一定層）、
７…ｐ－ｎ接合界面、 ８…窒素ドープ層、
２０…石英ボート、 ２１…エピタキシャル・リアクター、
２２…ホルダー、 ２３…ガス導入管、 ２４…ヒーター、
２５…Ｇａ溜、 Ｗ…単結晶基板。
２…ｎ型ＧａＰ基板、
３…第１層ｎ型ＧａＰバッファー層、
４…第２層ｎ型ＧａＡｓ１－ｙＰｙ層（組成変化層）、
５…第３層ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｎ型組成一定層）、
６…第４層ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層（ｐ型組成一定層）、
７…ｐ－ｎ接合界面、 ８…窒素ドープ層、
２０…石英ボート、 ２１…エピタキシャル・リアクター、
２２…ホルダー、 ２３…ガス導入管、 ２４…ヒーター、
２５…Ｇａ溜、 Ｗ…単結晶基板。
Claims (2)
- ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）層とｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）層とにより発光部をなすｐ－ｎ接合界面が形成され、該ｐ－ｎ接合界面を含む部分に窒素濃度が一定となる領域が形成された化合物半導体エピタキシャルウェーハであって、
前記窒素濃度が一定となる領域において、ｎ型ドーパントとしてＴｅが２．０×１０１６～０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の範囲で、前記ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層から前記ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層の方向へ漸減しながらドーピングされているものであることを特徴とする化合物半導体エピタキシャルウェーハ。 - 基板上にハイドライド気相成長法により、ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）層とｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ（０．４５≦ｘ≦１．０）層とにより発光部をなすｐ－ｎ接合界面を形成する化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法であって、
前記ｐ－ｎ接合界面を含む部分に窒素をドープし、窒素濃度が一定となる領域を形成し、
該窒素濃度が一定となる領域において、ｎ型ドーパントとしてＴｅを２．０×１０１６～０．２×１０１６（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）の範囲で、前記ｎ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層から前記ｐ型ＧａＡｓ１－ｘＰｘ層の方向へ漸減させながらドーピングすることを特徴とした化合物半導体エピタキシャルウェーハの製造方法。
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