CN100576583C - GaP外延片及GaP发光元件 - Google Patents

Abstract

提供可获得更高亮度的GaP外延片及使用其外延片的GaP发光元件。本发明的GaP外延片3是在n型GaP单结晶基板10的{111}B面形成n型GaP缓冲层11的GaP外延片，将{01-1}裂面选择蚀刻后于n型GaP缓冲层11处观测到的梳齿状结晶缺陷的条数，为每100μm的成长界面为30条以下，其中该结晶缺陷为处于n型GaP缓冲层11成长界面且与平行面交叉并且延伸的梳齿状结晶缺陷。使用该GaP外延片3制作出的GaP发光元件1，具备高亮度。

Description

GaP外延片及GaP发光元件

[技术领域]

本发明涉及GaP外延片及GaP发光元件。

[背景技术]

发光二极体等的发光元件，通常依照下述方法制得，即在化合物半导体基板上层积复数的化合物半导体层，以制作具有p-n接合的多层化合物半导体晶圆，再将其元件化。以往，在红色系或绿色系的化合物半导体发光元件中所使用的GaP外延片是在GaP(磷化钙)单结晶基板上形成GaP外延层的GaP外延片.

化合物半导体发光元件有待改善的大问题之一乃亮度。为提高化合物半导体发光元件的亮度，已做过各种尝试，例如使用结晶缺陷少的质量良好的基板(参照专利文献1)、或使掺质的添加浓度最佳化(参照专利文献2)等等。

〔专利文献1〕日本特开2000-143398号公报

〔专利文献2〕日本特开平10-294489号公报

本发明的目的

然而，发光元件高亮度化的要求不断在增高，为回应该要求，需要研讨更进一步的改善方案。

本发明的课题，是提供可获得更高亮度的GaP外延片及使用此外延片的GaP发光元件。

发明的概述

为解决该课题，本发明中的在n型GaP单结晶基板之{111}B面上形成的n型GaP层的GaP外延片，其特征在于，在将{01-1}裂面选择蚀刻后，于n型GaP层处可观察到的梳齿状结晶缺陷的条数为每100μm的成长界面为30条以下，其中该结晶缺陷为处于n型GaP层成长界面且与平行面交叉并且延伸的梳齿状结晶缺陷。

本发明的GaP发光元件，是在n型GaP单结晶基板的{111}B面上，由复数个n型GaP层与至少1层的p型GaP层层积而构成，其特征在于，在将{01-1}裂面选择蚀刻后，于复数个n型GaP层中与n型GaP单结晶基板邻接的结晶性改善层处可观察到的梳齿状结晶缺陷的条数为每100μm的成长界面为30条以下，其中该结晶缺陷为处于结晶性改善层的成长界面且与平行面交叉并且延伸的梳齿状结晶缺陷。

一般而言，用于GaP发光元件的GaP外延片，在GaP单结晶基板上具有n型GaP结晶性改善层(n型GaP缓冲层)。然而，尽管在结晶性改善层上形成含p-n连接的发光层部，也无法得到足够亮度的发光元件。为了探究其原因，本发明者们针对形成发光层部的前阶段，既GaP外延片的品质，实施了详细调查。因此，发现了梳齿状结晶缺陷的存在，既将在n型GaP单结晶基板的{111}B面处形成的n型GaP层的GaP外延片的{01-1}裂面选择蚀刻后，与n型GaP单结晶基板邻接的处于n型GaP缓冲层的成长界面且与平行面交叉并且延伸的梳齿状结晶缺陷。进而，针对该梳齿状结晶缺陷的条数与发光亮度的关系进行详细调查后完成了本发明。

亦即，当使用了该种GaP外延片，既与n型GaP单结晶基板邻接的n型GaP层上观察到的梳齿状结晶缺陷条数，在GaP单结晶基板与n型GaP层间的成长界面处为每100μm中30条以下的GaP外延片，可抑制亮度的降低，从而制作出高亮度的发光元件。使用梳齿状结晶缺陷的条数超过30条的GaP外延片所制作出的发光元件，将会变得辉度不足。

再者，GaP单结晶基板的{111}B面表示的是结晶方位为〔111〕的P填充面。亦即，当GaP单结晶以(111)面作为Ga填充面时，则(-1-1-1)面为P填充面。另外，{01-1}裂面包含(0-11)、(01-1)、(1-10)、(-110)、(10-1)、(-101)。面指数的上标“-”，为方便起见标以在数字前的“-”来替代。

发明的具体描述

以下参照附图说明本发明的一实施形态。图1系本发明之GaP发光元件之截面示意图。GaP发光元件1在n型GaP单结晶基板10的{111}B面上，具有依序层积n型GaP缓冲层11(结晶性改善层)、n型GaP层12、N(氮)掺杂n型GaP层13、p型GaP层14的构造。n型GaP单结晶基板10和n型GaP缓冲层11构成本发明的GaP外延片。

n型GaP单结晶基板10、n型GaP缓冲层11及n型GaP层12中，添加有n型掺质、例如硅(Si)。N掺杂n型GaP层13与p型GaP层14之间系形成p-n连接。N掺杂n型GaP层13中，掺杂有n型掺质的硅(Si)与氮(N)。氮的作用是当作等电子阱，其有助于发光效率的提升。氮之掺杂量，视所要求的发光输出水平与主发光波长值来做调整。另一方面，p型GaP层14中，添加有p型掺质、例如锌(Zn)。

用RC液将其{01-1}裂开面实施选择性蚀刻时，于n型GaP缓冲层11所观察到的梳齿状结晶缺陷(参照图4)条数，在成长界面的平行方向上每100μm为30条以下的是GaP发光元件1。因此，n型GaP缓冲层11上所形成的n型GaP层12的结晶质量良好，而且显示高亮度。

其次，说明GaP发光元件1的制造方法。首先，切断用LEC(LiquidEncapsulated Czochralski)法等众所周知的单结晶育成法制作的GaP单结晶棒，得n型GaP单结晶基板10。n型GaP单结晶基板10做去角、研磨等的预处理。

其次，如图2所示，将n型GaP单结晶基板10收容于成长容器20内后，旋转成长容器20使n型GaP单结晶基板10与Ga溶液16接触。Ga溶液16，是溶有GaP多结晶及n型掺质(Si)而构成的饱和溶液。接着，将Ga溶液16加热，使n型GaP单结晶基板的表面回熔(meltback)。接着，将Ga溶液16的温度以约0.2℃/分钟的速度逐渐降低，使溶解于Ga溶液16中的GaP析出于n型GaP单结晶基板10作为缓冲层11。如此制得在n型GaP单结晶基板10上形成n型GaP缓冲层11的GaP外延片3(参照图1)。

接着，从成长容器20取出用于结晶缺陷观察的GaP外延片3后，从{01-1}面劈开，使用众所周知的RC液，对该裂面进行选择性蚀刻形成梳齿状结晶缺陷。RC是由HF水溶液、HNO3水溶液及AgNO3组成的混合水溶液。

然后，将用RC液进行选择性蚀刻处理的{01-1}裂面，使用光学显微镜来观察。并计算n型GaP缓冲层11上所观察到的梳齿状结晶缺陷条数。梳齿状结晶缺陷，与n型GaP单结晶基板10和n型GaP缓冲层11的成长界面(交界面)的平行面呈交叉延伸。因此，将梳齿状结晶缺陷的密度以每100μm{01-1}裂面中出现的条数来表示为最佳。其计算结果为30条以下的GaP外延片3，适用于高亮度的GaP系发光元件。

当以RC液蚀刻GaP外延片3的{01-1}裂面时，有时会观察到树根状的结晶缺陷(Rooty fault)。树根状结晶缺陷与成长层的凹凸完全一致，且沿着与基板的交界面平行的方向延伸。相对于此，本发明所称的梳齿状结晶缺陷和GaP单结晶基板呈交叉。因此，两者就算同时发生也能加以区别。

当确认出梳齿状结晶缺陷的数目位于容许范围内后，在n型GaP缓冲层11上，依序形成n型GaP层12、N掺杂n型GaP层13及p型GaP层14。这些外延层，如图3所示，由采用滑动晶舟(slide boat)法的液相成长装置60来可进行连续成长。

液相成长装置60之炉心管23形成相邻的成长室22与掺质源收容室21。包含石英制基板架24及石英制溶液架25的滑动晶舟26配置在成长室22内。GaP外延片3收容于基板架24的凹部。在收容有GaP外延片3的基板架24上，配置着收容有Ga溶液30的溶液架25。Ga溶液30是从周围的气氛取得掺质。

在掺质源收容室21内配置晶舟28。晶舟28收容着用作p型掺质源的Zn。掺质源收容室21与气体供给管31连接，以将H2及Ar中至少一种、作为N参杂源NH3供给至炉心管23内。而且在炉心管23外周配置着用来加热成长室22的主加热器32及用来加热掺质源收容室21的副加热器27。

首先，在未供给Zn及NH3下，形成n型GaP层12。边供给Ar气体边使成长室22内的温度上升后，使溶液架25滑动，让GaP外延片3与Ga溶液30接触。接着，使成长室22内逐渐降温，让n型GaP层12成长。由于Ga溶液30中溶入从溶液架25溶出的Si，故作为n型掺质的Si会自动掺杂于n型GaP层12之中。

当n型GaP层12的厚度到达所期望值后，将由Ar稀释的NH3气体导入成长室22内。关于Ga溶液30的周围气氛的NH3浓度是依照所期望得到的GaP发光元件的发光输出水准及主发光波长来设定。

接着，边将由Ar稀释的NH3气体供给至炉心管23内，边将成长室22内逐渐降温，使N掺杂n型GaP层13成长。N掺杂n型GaP层13，因Ga溶液30内的Si与NH3反应消耗Si，所以Si的掺杂量减低，故载体的注入效率高。当N掺杂n型GaP层13的厚度达到所期望值后，停止NH₃气体的供给。

接着，在配置有晶舟28(收容Zn)的掺质源收容室21内，用副加热器27升温使Zn气化，边和载体Ar或H2一起供给至成长室22，边使成长室22逐渐降温。通过上述过程，使Zn掺杂的n型GaP层14形成于N掺杂n型GaP层13上。

接着，在n型GaP单结晶基板10侧形成n电极、在p型GaP层14侧形成p电极后，经切割，将半导体芯片固定于支持体上，再将引线进行引线结合(Wire Bonding)，经树脂封装而制得GaP发光元件。

(实验例)

为确认本发明的效果而进行以下的实验。

首先，将根据LEC法制作出的GaP单结晶棒切断，获得复数个n型GaP单结晶基板10。在这些n型GaP单结晶基板10上，于成长容器20内以液相磊晶成长法成长出n型GaP缓冲层11，而获得复数个GaP外延片3。之后，以采用滑动晶舟法的液相成长装置60(参照图3)，在各GaP外延片3上形成GaP层12、13、14，而制作出多层构造的GaP发光元件1。

测定各GaP发光元件1之亮度后，将{01-1}裂面以RC液蚀刻，用光学显微镜观察。并计算出n型GaP缓冲层11上所观察到的梳齿状结晶缺陷的条数。根据此结果，制作出梳齿状结晶缺陷的条数(密度)、与亮度的相关图(图6)。图4是梳齿状结晶缺陷之较少发生时(16条/100μm)的显微镜相片，图5系梳齿状结晶缺陷大量发生时的显微镜相片。

根据图6的数据可知，若使用梳齿状结晶缺陷为30条/100μm以下的GaP外延片，相较于使用其缺陷超过30条/100μm的GaP外延片时的预想值(图6的虚线)，发光元件的亮度(相对值)显示更高的数值。

附图的简要说明：

图1是本发明的GaP发光元件之截面示意图。

图2是n型GaP缓冲层的形成方法的说明图。

图3是含p-n接合的GaP层形成方法的说明图。

图4是本发明的高亮度GaP发光元件的{01-1}裂面的显微镜相片。

图5是低亮度GaP发光元件的{01-1}裂面的显微镜相片。

图6是梳齿状结晶缺陷的密度与发光亮度的相关图。

标号的说明：

标号1表示GaP发光元件

标号3表示GaP外延片

标号10表示n型GaP单结晶基板

标号11表示n型GaP缓冲层(结晶性改善层)

标号12表示n型GaP层

标号13表示N掺杂n型GaP层

标号14表示p型GaP层

Claims (2)

1、在n型GaP单结晶基板之{111}B面上形成的n型GaP层的GaP外延片，在将{01-1}裂面选择蚀刻后，于n型GaP层处可观察到的梳齿状结晶缺陷的条数为每100μm的成长界面为30条以下，其中该结晶缺陷为处于n型GaP层成长界面且与平行面交叉并且延伸的梳齿状结晶缺陷，其特征在于，

对n型GaP单结晶基板进行表面回熔；

将Ga溶液的温度以0.2℃/分钟的速度逐渐降低，使溶解于Ga溶液中的GaP析出于n型GaP单结晶基板上形成缓冲层。

2、在n型GaP单结晶基板的{111}B面上，由复数个n型GaP层与至少1层的p型GaP层层积而构成的GaP发光元件，在将{01-1}裂面选择蚀刻后，于复数个n型GaP层中与n型GaP单结晶基板邻接的结晶性改善层处可观察到的梳齿状结晶缺陷的条数为每100μm的成长界面为30条以下，其中该结晶缺陷为处于结晶性改善层的成长界面且与平行面交叉并且延伸的梳齿状结晶缺陷，其特征在于，

所述n型GaP单结晶基板经过表面回熔处理，并将Ga溶液的温度以0.2℃/分钟的速度逐渐降低，使溶解于Ga溶液中的GaP析出于所述n型GaP单结晶基板上形成缓冲层。

Images