JP2000082841A

JP2000082841A - エピタキシャルウェハ及びその製造方法

Info

Publication number: JP2000082841A
Application number: JP28926198A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Noguchi; 雅弘野口
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1998-06-22
Filing date: 1998-10-12
Publication date: 2000-03-21

Abstract

(57)【要約】【課題】高濃度ドーピングと厚膜化を行ったのと同じ高
い発光効率を持つ、経済性と実用性に富んだ構造のＬＥ
Ｄ用のエピタキシャルウェハを得る。【解決手段】発光面側の第１上クラッド層５の上に、活
性層４よりもバンドギャップエネルギーが大きな第２上
クラッド層６を設け、該第２上クラッド層６の表面（発
光面側）を第２上クラッド層６と同じ導電型のドーパン
トによりプレーナードープ７又はパルスドープする。こ
れにより、第２上クラッド層６全体を厚膜化・高濃度化
することによるｐｎ接合全体の結晶品質の低下を伴うこ
となく、発光面側の電極から注入された電流を効率よく
拡散し、発光効率を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＬＥＤ用エピタキ
シャルウェハ及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＡｓ基板上に、４元化合物半導体材
料であるＡｌＧａＩｎＰをベースとしたｐｎ接合をＭＯ
ＶＰＥ法で成長した発光ダイオード（Light Emitting D
iode：ＬＥＤ）用エピタキシャルウェハが実用化されて
いる。各種のIII −Ｖ族化合物半導体のうち、特にＧａ
Ａｓを基板とし、これに格子整合するようエピタキシャ
ル成長されたＡｌＧａＩｎＰ４元混晶は、直接遷移型で
しかも最大のバンドキャップエネルギーを有し、緑色か
ら赤色の範囲にわたり高輝度の発光が得られる。

【０００３】図２に従来のＡｌＧａＩｎＰ４元ダブルヘ
テロ（ＤＨ）構造を有するＬＥＤの一例を示す。図中１
はｎ型のＧａＡｓ基板、２はｎ型のＧａＡｓバッファー
層、３はｎ型のＡｌＧａＩｎＰ下クラッド層、４はアン
ドープＡｌＧａＩｎＰ活性層、５はｐ型のＡｌＧａＩｎ
Ｐ第１上クラッド層、６はｐ型のＧａＡｌＡｓ第２上ク
ラッド層（電流拡散層）、８はコンタクト層、９及び１
０は電極である。３〜６がＡｌＧａＩｎＰ４元ダブルヘ
テロ構造部分をなす。

【０００４】このような構造のＬＥＤにおいて、第１上
クラッド層５のバンドギャップエネルギーは活性層より
も大きくする必要がある。なぜならば、第１上クラッド
層５のバンドギャップエネルギーが活性層４のバンドギ
ャップエネルギーよりも小さいと、キャリアのバンド間
の遷移により発光に対して吸収体として作用するように
なるからである。

【０００５】しかし、このＬＥＤ用エピタキシャルウェ
ハにおいて、光取り出し側の第１上クラッド層５に活性
層４よりもバンドギャップエネルギーが大きなＡｌＧａ
ＩｎＰ又はＡｌＩｎＰを用いた場合、通常のドーピング
では低抵抗のエピタキシャル層が得られない。

【０００６】即ち、ＡｌＧａＩｎＰは、キャリアの移動
度が小さく、低抵抗の結晶が得難い。そこでキャリア濃
度を高くすることにより低抵抗化を計ると、良質の結晶
が得にくくなる。このため、ＡｌＧａＩｎＰ半導体材料
の場合、結晶品質の上から成長速度が制限され、厚膜の
成長を行う場合には、成長時間の延長を行わなければな
らない。第１クラッド層５の不純物として拡散性の高い
ものを使用した場合、活性層４への不純物拡散が起こ
り、素子特性の低下を引き起こす。

【０００７】また、このような構造のＬＥＤにおいて
は、第１上クラッド層５は活性層４よりもバンドギャッ
プエネルギー差を大きくするため、Ａｌ濃度を高くする
必要がある。Ａｌ濃度が高くなるとキャリア濃度を高く
することができず、電気抵抗が高くなり、第１上クラッ
ド層５における電流の広がりが小さく、電極９の直下の
みが発光領域となり、結果として発光効率を高めること
ができない。

【０００８】そこで、図２に示した従来のＬＥＤでは、
第２上クラッド層（電流拡散層）６として、活性層４及
び第１上クラッド層５よりもバンドギャップエネルギー
が大きなＧａＡｌＡｓ層を採用し、これを第１上クラッ
ド層５上に設けている（特開平３−１７１６７９号公報
参照）。これにより、発光面側の電極９から注入された
電流は、活性層４へ到達する前に、発光面側の電流拡散
層つまり第２上クラッド層６内で拡散されることから、
活性層４へ効率よく電流が注入されて、高い発光効率が
達成される。

【０００９】また、電極からの注入電流を拡散させる手
段としては、第２上クラッド層６の厚さを厚くすること
も有効である。第２上クラッド層６としてよく用いられ
ているＧａＡｌＡｓ層の厚さは、一般的に５〜１０μｍ
と厚めである。このＧａＡｌＡｓからなる第２上クラッ
ド層６の厚膜化は、この層での電流の拡散を広げ、高い
発光効率を得る目的で行われる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記発光面側の第２上
クラッド層としてＧａＡｌＡｓが用いられる場合、その
キャリア濃度としては、通常１×１０¹⁸cm^-3台の濃度が
用いられており、また厚さは前述の如く５〜１０μｍ台
である。

【００１１】しかしながら、より高輝度のＬＥＤを形成
するためには、この第２上クラッド層の抵抗率をさらに
低くし、電流を拡散しやすくすることが必要であり、そ
のためには、さらなる第２上クラッド層の高濃度ドーピ
ングと厚膜化が必要となる。

【００１２】ところが、従来の技術において、高濃度ド
ーピングと厚膜化の両者を同時に満足するように第２上
クラッド層を成長する場合には、成長の長時間化が伴
い、経済的に不利となる。また、第２クラッド層の不純
物として拡散性の高いものを使用した場合には、ドーピ
ングに用いた不純物が活性層等の他の層に拡散し、ｐｎ
接合全体としての結晶品質低下を伴う。

【００１３】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、高濃度ドーピングと厚膜化を行ったのと同じ高い電
流拡散性及び発光効率を持つ、経済性と実用性に富んだ
構造のエピタキシャルウェハ及びその製造方法を提供す
ることにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、次のように構成したものである。

【００１５】（１）請求項１に記載の発明に係るエピタ
キシャルウェハは、第一導電型の化合物半導体基板上
に、第一導電型の半導体層であるバッファ層、第一導電
型の半導体層である下クラッド層、アンドープの半導体
層である活性層、第二導電型の半導体層である第１上ク
ラッド層、第二導電型の半導体層である第２上クラッド
層及び第二導電型の半導体層であるコンタクト層が順次
エピタキシャル成長された発光素子用のエピタキシャル
ウェハにおいて、上記下クラッド層、第１上クラッド層
及び第２上クラッド層を、そのバンドギャップエネルギ
ーが活性層よりも大きい混晶材料から構成し、上記第２
上クラッド層の上記コンタクト層との界面に、第２上ク
ラッド層と同じ導電型のドーパントによるプレーナード
ーピング層を設けた構造のものである。

【００１６】このエピタキシャルウェハにおいては、第
一導電型の半導体層がｎ型半導体から成り、第二導電型
の半導体層がｐ型半導体から成る形態と、第一導電型の
半導体層がｐ型半導体から成り、第二導電型の半導体層
がｎ型半導体から成る形態とが含まれる。

【００１７】いずれの形態のエピタキシャルウェハにお
いても、上記のように、発光面側の第１上クラッド層の
上に活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きな第
２上クラッド層を設け、該第２上クラッド層の表面（発
光面側）に第２上クラッド層と同じ導電型のドーパント
によりプレーナードープした構造とする。これにより、
第２上クラッド層全体を厚膜化・高濃度化することによ
るｐｎ接合全体の結晶品質の低下を伴うことなく、発光
面側の電極から注入された電流を効率よく拡散し、発光
効率を向上させることができる。これは、プレーナード
ープされた不純物により、第２上クラッド層の電極側
（発光面側）つまり上記コンタクト層との界面において
電流の広がりが大きくなり、電極の直下のみならず電極
の周囲の広い範囲まで発光領域が広がり、結果として発
光効率を高めることができるためである。

【００１８】なお、上記ドーパントつまり第二導電型の
導電型を決定する不純物は、拡散係数の小さなものが好
ましい。

【００１９】（２）上記エピタキシャルウェハは、より
具体的には、上記下クラッド層が第一導電型のＡｌＧａ
ＩｎＰ又はＡｌＩｎＰから成り、上記第１上クラッド層
が第二導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰから成
り、上記第２上クラッド層が第二導電型のＧａＡｌＡｓ
又はＡｌＧａＩｎＰから成るものである（請求項２）。

【００２０】これは、活性層の上下をｐ型及びｎ型のＡ
ｌＧａＩｎＰクラッド層で挟んだダブルへテロ構造を有
する発光素子用のエピタキシャルウェハにおいて、上記
ダブルへテロ構造の発光面側に位置するｐ型（又はｎ
型）のクラッド層とこれに隣接する同じｐ型（又はｎ
型）のコンタクト層との界面に、同じｐ型（又はｎ型）
のドーパントによるプレーナードーピング層を設けた構
成とする場合を含むものである。

【００２１】（３）上記活性層はアンドープのＡｌＧａ
ＩｎＰ又はＧａＩｎＰから成ることができる（請求項
３）。これは、ＧａＡｓ基板上に４元化合物半導体材料
であるＡｌＧａＩｎＰをベースとしたダブルへテロ構造
を備えた発光素子用のエピタキシャルウェハを前提し、
その第二導電型の第２上クラッド層と第二導電型のコン
タクト層との界面に、第二導電型のドーパントによるプ
レーナードーピング層を設ける形態を含むものである。

【００２２】（４）請求項４に記載の発明は、上記請求
項１、２又は３のエピタキシャルウェハを製造する方法
において、上記第二導電型の第２上クラッド層に次いで
第二導電型のコンタクト層を成長させる際に、上記第二
導電型の第２上クラッド層の成長終端面（成長停止面）
に、第２上クラッド層と同じ導電型のドーパントをプレ
ーナードープし、その後、上記第二導電型のコンタクト
層をエピタキシャル成長させるものである。

【００２３】上記プレーナードープによれば、これによ
ってプレーナードープされた不純物により、第２上クラ
ッド層の電極側（発光面側）つまり上記コンタクト層と
の界面において電流の広がりが大きくなり、電極の周囲
の広い範囲が発光領域となり、結果として発光効率を高
めることができる。この結果、従来の第２上クラッド層
の高濃度ドーピングと厚膜化とにより得られるのと同等
の発光光度を、そのような高濃度ドーピングと厚膜化を
行わないで達成することができる。

【００２４】また、このプレーナードープには、従来技
術において、高濃度ドーピングと厚膜化の両者を同時に
満足するように第２上クラッド層を成長する場合のよう
な長時間を必要としない。更に、従来のようにドーピン
グに用いた不純物が活性層等に拡散して、ｐｎ接合全体
としての結晶品質低下を伴うということも少ない。従っ
て、良品質の結晶を非常に経済的に得ることができる実
用性に富んだエピタキシャルウェハの製造方技術とな
る。

【００２５】なお、上記ドーパントとしては、拡散係数
の小さなものが好ましい。

【００２６】（５）本発明の製造方法における好ましい
形態は、上記第二導電型の第２上クラッド層がｐ型のＧ
ａＡｌＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰであり、これにプレーナ
ードープする上記ドーパントとしてＺｎ、Ｃ、Ｍｇ、Ｂ
ｅのいずれかを用いる。特好ましくは上記ドーパントと
してＺｎを用い、そのＺｎの供給源にジエチル亜鉛を用
いる（請求項５）。

【００２７】（６）また、本発明の製造方法における他
の好ましい形態では、上記第二導電型の第２上クラッド
層がｎ型のＧａＡｌＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰであり、こ
れにプレーナードープする上記ドーパントとしてＳｅ、
Ｓｉのいずれかを用いる（請求項６）。

【００２８】（７）本発明のエピタキシャルウェハの製
造方法において、上記エピタキシャル成長及び上記プレ
ーナードープは有機金属気相成長法によって行うことが
できる（請求項７）。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を図示の実施形態に
基づいて説明する。

【００３０】図１は、ｎ型のＧａＡｓ基板１上に、ｎ型
のＧａＡｓバッファ層２、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰ下クラ
ッド層３、アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層４、ｐ型の
ＡｌＧａＩｎＰ第１上クラッド層５、ｐ型のＧａＡｌＡ
ｓ第２上クラッド層６、ｐ型のプレーナードープ層（第
２上クラッド層６をプレーナードープした部分）７、及
びｐ型のＧａＡｓコンタクト層８を、ＭＯＶＰＥ（有機
金属気相成長）法で、順次エピタキシャル成長したＬＥ
Ｄ用のエピタキシャルウェハを示す。

【００３１】このエピタキシャルウェハは、ｎ型のＧａ
Ａｓ基板１上に、ｎ型のＡｌＧａＩｎＰ下クラッド層３
と、該下クラッド層３上に設けられたアンドープＡｌＧ
ａＩｎＰ活性層４と、該活性層４上に設けられたｐ型の
ＡｌＧａＩｎＰ第１上クラッド層５とからなるダブルへ
テロ構造を有する発光素子用のエピタキシャルウェハに
おいて、上記ダブルへテロ構造の発光面側に位置するｐ
型のＡｌＧａＩｎＰ第１上クラッド層５上に、ｐ型のＧ
ａＡｌＡｓ第２上クラッド層６及びｐ型のＧａＡｓコン
タクト層８を順次設け、上記ｐ型のＧａＡｌＡｓ第２上
クラッド層６とこれに隣接する同じ導電型の上記ｐ型の
ＧａＡｓコンタクト層８との界面に、拡散係数の小さな
ｐ型の導電型決定不純物によるプレーナードーピング層
７を設けた構造のものである。

【００３２】上記ｐ型プレーナードープ層７は、第２上
クラッド層６のコンタクト層８との界面に、ｐ型ドーパ
ントを二次元的に添加（プレーナードープ）したもので
あり、プレーナードープ層と称するのは必ずしも適切で
はないが、便宜上このように呼ぶ。このプレーナードー
プ処理は、上記ｐ型のＧａＡｌＡｓ第２上クラッド層６
に次いでｐ型のＧａＡｓコンタクト層８を成長させる際
に、当該ｐ型のＧａＡｌＡｓ第２上クラッド層６の成長
終端面（成長停止面）に、その第２上クラッド層６と同
じｐ型のドーパントとしてＺｎをプレーナードープする
ことで行い、その後、上記ｐ型のＧａＡｓコンタクト層
８をエピタキシャル成長させる。ｐ型ドーパントである
Ｚｎの供給源にはジエチル亜鉛を用いる。

【００３３】プレーナードープ量は、第２上クラッド層
６表面へドーパントをプレーナードープすることによっ
て、第２上クラッド層６のコンタクト層８との界面に、
第２上クラッド層６の表面から所定の深さ（例えば３μ
ｍ）で、プレーナードープ層が存在するように定める。

【００３４】このプレーナードープ量は、ドーパントＺ
ｎの濃度・流量及びプレーナードープ時間で任意に制御
することができる。従って、プレーナードープ時間を短
くしたい場合、ドーパントＺｎの供給源が例えばジエチ
ル亜鉛のような有機金属のときは、有機金層そのものの
濃度を上げるか、温度により蒸気圧を上げるか、又はそ
の流量を上げるか、のいずれか量を操作すれば良い。

【００３５】本実施形態によれば、従来のｐ型ＧａＡｌ
Ａｓ第２上クラッド層６の厚さを５〜１０μｍ、キャリ
ア濃度を３×１０¹⁸cm^-3とした場合と同等の発光光度
を、３μｍのｐ型ＧａＡｌＡｓ第２上クラッド上へのプ
レーナードープで達成することができた。

【００３６】上記実施形態では、ｎ型のＧａＡｓ基板を
用いたときの、ｐ型のＧａＡｌＡｓ第２上クラッド層６
の表面へｐ型のプレーナードープする場合について述べ
ているが、この第２上クラッド層６は、ＧａＡｌＡｓで
なくとも、活性層よりもバンドギャップが大きい混晶材
料、例えばＡｌＧａＩｎＰでもよい。また、ｐ型のドー
ピング不純物としては、Ｚｎ以外にＣ、Ｍｇ、Ｂｅ等も
適用可能である。

【００３７】更にまた、ｐ型のＧａＡｓ基板１を用いた
形態について本発明を適用することもできる。このｐ型
基板を用いた実施形態の場合、ｎ型の第２上クラッド層
６の表面について、同様にｎ型のプレーナードープを行
うことになる。このｎ型のプレーナードープの不純物と
しては、Ｓｅ、Ｓｉ等が適用可能である。

【００３８】また、上記実施形態では、第２上クラッド
層表面へプレーナードープする場合について述べてきた
が、プレーナードープする代わりに、第２上クラッド層
表面へドーパントをパルスドープ（パルス状ドーピン
グ）して、第２上クラッド層６のコンタクト層８との界
面に、第２上クラッド層６の表面から所定の深さ（例え
ば３μｍ）で、パルスドープ層が存在するように構成す
ることもできる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、次
のような優れた効果が得られる。

【００４０】（１）請求項１〜３に記載のエピタキシャ
ルウェハによれば、発光面側の第１上クラッド層の上に
活性層よりもバンドギャップエネルギーが大きな第２上
クラッド層を設け、該第２上クラッド層の表面（発光面
側）に、第２上クラッド層と同じ導電型のドーパントに
よりプレーナードープ（又はパルスドープ）した構造と
したので、プレーナードープされた不純物により、第２
上クラッド層の電極側（発光面側）つまり上記コンタク
ト層との界面において直ちに電流が大きく広がり、電極
の直下のみならず電極周囲の広い領域までが発光領域と
なり、結果として発光効率を高めることができる。ま
た、従来の第２上クラッド層全体を厚膜化・高濃度化す
ることとは異なる別の観点から発光効率を高めるもので
あるので、従来のように第２上クラッド層全体を厚膜化
・高濃度化することによるｐｎ接合全体の結晶品質の低
下を伴うことなく、発光面側の電極から注入された電流
を効率よく拡散し、発光効率を向上させることができ
る。

【００４１】（２）請求項４〜７に記載の発明によれ
ば、上記第二導電型の第２上クラッド層に次いで第二導
電型のコンタクト層を成長させる際に、上記第二導電型
の第２上クラッド層の成長終端面に、第２上クラッド層
と同じ導電型のドーパントをプレーナードープし、その
後、上記第二導電型のコンタクト層をエピタキシャル成
長させるので、プレーナードープされた不純物により、
第２上クラッド層の発光面側つまり上記コンタクト層と
の界面において電流の広がりが大きくなり、電極の周囲
の広い範囲が発光領域となることから、結果として発光
効率を高めることができる。この結果、従来の第２上ク
ラッド層の高濃度ドーピングと厚膜化により得られるの
と同等の発光光度を、そのような高濃度ドーピングと厚
膜化を行わないで達成することができる。

【００４２】また、このプレーナードープの処理には、
従来技術において、高濃度ドーピングと厚膜化の両者を
同時に満足するように第２上クラッド層を成長する場合
のような長時間を必要としない。更に、従来のようにド
ーピングに用いた不純物が活性層等に拡散して、ｐｎ接
合全体としての結晶品質低下を伴うということも少な
い。従って、良品質の結晶を非常に経済的に得ることが
できる実用性に富んだエピタキシャルウェハの製造方技
術となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のｎ型ＧａＡｓ基板上にＭＯＶＰＥ法で
順次エピタキシャル成長したＬＥＤ用のエピタキシャル
ウェハを示した図である。

【図２】従来のＬＥＤ用のエピタキシャルウェハを示し
た図である。

【符号の説明】

１ｎ型のＧａＡｓ基板２ｎ型のＧａＡｓバッファ層３ｎ型のＡｌＧａＩｎＰ下クラッド層４アンドープＡｌＧａＩｎＰ活性層５ｐ型のＡｌＧａＩｎＰ第１上クラッド層６ｐ型のＧａＡｌＡｓ第２上クラッド層７ｐ型のプレーナードープ層８ｐ型のＧａＡｓコンタクト層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第一導電型の化合物半導体基板上に、第一
導電型の半導体層であるバッファ層、第一導電型の半導
体層である下クラッド層、アンドープの半導体層である
活性層、第二導電型の半導体層である第１上クラッド
層、第二導電型の半導体層である第２上クラッド層及び
第二導電型の半導体層であるコンタクト層が順次エピタ
キシャル成長された発光素子用のエピタキシャルウェハ
において、上記下クラッド層、第１上クラッド層及び第
２上クラッド層を、そのバンドギャップエネルギーが活
性層よりも大きい混晶材料から構成し、上記第２上クラ
ッド層の上記コンタクト層との界面に、第２上クラッド
層と同じ導電型のドーパントによるプレーナードーピン
グ層を設けたことを特徴とするエピタキシャルウェハ。
【請求項２】請求項１記載のエピタキシャルウェハにお
いて、上記下クラッド層が第一導電型のＡｌＧａＩｎＰ
又はＡｌＩｎＰから成り、上記第１上クラッド層が第二
導電型のＡｌＧａＩｎＰ又はＡｌＩｎＰから成り、上記
第２上クラッド層が第二導電型のＧａＡｌＡｓ又はＡｌ
ＧａＩｎＰから成ることを特徴とするエピタキシャルウ
ェハ。
【請求項３】請求項２記載のエピタキシャルウェハにお
いて、上記活性層がアンドープのＡｌＧａＩｎＰ又はＧ
ａＩｎＰから成ることを特徴とするエピタキシャルウェ
ハ。
【請求項４】請求項１、２又は３のエピタキシャルウェ
ハを製造する方法において、上記第二導電型の第２上ク
ラッド層に次いで第二導電型のコンタクト層を成長させ
る際に、上記第二導電型の第２上クラッド層の成長終端
面に、第２上クラッド層と同じ導電型のドーパントをプ
レーナードープし、その後、上記第二導電型のコンタク
ト層をエピタキシャル成長させることを特徴とするエピ
タキシャルウェハの製造方法。
【請求項５】請求項４記載のエピタキシャルウェハの製
造方法において、上記第二導電型の第２上クラッド層が
ｐ型のＧａＡｌＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰであり、これに
プレーナードープする上記ドーパントとしてＺｎ、Ｃ、
Ｍｇ、Ｂｅのいずれかを用いることを特徴とするエピタ
キシャルウェハの製造方法。
【請求項６】請求項４記載のエピタキシャルウェハの製
造方法において、上記第二導電型の第２上クラッド層が
ｎ型のＧａＡｌＡｓ又はＡｌＧａＩｎＰであり、これに
プレーナードープする上記ドーパントとしてＳｅ、Ｓｉ
のいずれかを用いることを特徴とするエピタキシャルウ
ェハの製造方法。
【請求項７】請求項４、５又は６記載のエピタキシャル
ウェハの製造方法において、上記エピタキシャル成長及
び上記プレーナードープを有機金属気相成長法によって
行うことを特徴とするエピタキシャルウェハの製造方
法。