JP2000101145A - 発光素子用エピタキシャルウェーハの評価方法及び評価装置、コンピュータ読み取り可能な記録媒体並びに発光素子用エピタキシャルウェーハ - Google Patents
発光素子用エピタキシャルウェーハの評価方法及び評価装置、コンピュータ読み取り可能な記録媒体並びに発光素子用エピタキシャルウェーハInfo
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
- G01N21/6489—Photoluminescence of semiconductors
Abstract
(57)【要約】
【課題】 励起キャリア密度によらず、本質的なライフ
タイムを迅速且つ非破壊で測定することができる発光素
子用エピタキシャルウェーハの評価方法を提供すること
を目的とする。さらに、従来よりも発光効率が高い発光
素子用エピタキシャルウェーハを提供することも目的と
する。 【解決手段】 発光素子用エピタキシャルウェーハに前
記励起光を照射することにより生ずるフォトルミネッセ
ンス光の強度の時間変化が一定値以下となる時の強度の
変化速度から非発光ライフタイムを導出することによ
り、励起キャリア密度に依存しない非発光ライフタイム
を求めることができる。さらに、このようにして求めた
非発光ライフタイムが２０ナノ秒以上であり、または活
性層への亜鉛の拡散量が１Ｅ１３原子／ｃｍ2以内であ
ることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェーハ
を提供する。
タイムを迅速且つ非破壊で測定することができる発光素
子用エピタキシャルウェーハの評価方法を提供すること
を目的とする。さらに、従来よりも発光効率が高い発光
素子用エピタキシャルウェーハを提供することも目的と
する。 【解決手段】 発光素子用エピタキシャルウェーハに前
記励起光を照射することにより生ずるフォトルミネッセ
ンス光の強度の時間変化が一定値以下となる時の強度の
変化速度から非発光ライフタイムを導出することによ
り、励起キャリア密度に依存しない非発光ライフタイム
を求めることができる。さらに、このようにして求めた
非発光ライフタイムが２０ナノ秒以上であり、または活
性層への亜鉛の拡散量が１Ｅ１３原子／ｃｍ2以内であ
ることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェーハ
を提供する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子用エピタ
キシャルウェーハの評価方法及び評価装置、コンピュー
タ読み取り可能な記録媒体並びに発光素子用エピタキシ
ャルウェーハに関する。より具体的には、本発明は、Ｉ
ｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤにおいて発光特性の優れたＬＥＤ
を提供しうるエピタキシャルウェーハ、及び、ＬＥＤや
レーザダイオードのような発光素子の発光特性を検査す
る検査方法に関し、特に発光素子に電極付け等を行う前
のウェーハ状態で、その発光素子の結晶性や発光効率の
良否を正確に判断できる検査方法に関するものである。
キシャルウェーハの評価方法及び評価装置、コンピュー
タ読み取り可能な記録媒体並びに発光素子用エピタキシ
ャルウェーハに関する。より具体的には、本発明は、Ｉ
ｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤにおいて発光特性の優れたＬＥＤ
を提供しうるエピタキシャルウェーハ、及び、ＬＥＤや
レーザダイオードのような発光素子の発光特性を検査す
る検査方法に関し、特に発光素子に電極付け等を行う前
のウェーハ状態で、その発光素子の結晶性や発光効率の
良否を正確に判断できる検査方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年のＭＯＣＶＤ（metal organic chem
ical vapor deposition：有機金属化学気相成長法）に
よる製膜技術の発達により、ＬＥＤ（light emitting d
iode：発光ダイオード）の発光特性に影響を与える酸
素、炭素などの不純物混入やエピ層（エピタキシャル成
長した半導体層）界面の結晶欠陥が抑えられ、高輝度な
ＬＥＤを量産することが可能になった。
ical vapor deposition：有機金属化学気相成長法）に
よる製膜技術の発達により、ＬＥＤ（light emitting d
iode：発光ダイオード）の発光特性に影響を与える酸
素、炭素などの不純物混入やエピ層（エピタキシャル成
長した半導体層）界面の結晶欠陥が抑えられ、高輝度な
ＬＥＤを量産することが可能になった。
【０００３】しかし、従来は、ＬＥＤなどの発光素子に
おいては高い発光効率のチップを安定して生産すること
は困難であった。それは、活性層へのドーパントの拡散
によって、発光初期における低輝度化や通電による劣化
が生ずるからである。
おいては高い発光効率のチップを安定して生産すること
は困難であった。それは、活性層へのドーパントの拡散
によって、発光初期における低輝度化や通電による劣化
が生ずるからである。
【０００４】Ｚｎ（亜鉛）をｐ型ドーパントに用いたｌ
ｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤでは、活性層に拡散したＺｎが作
る深い準位に、キャリアがトラップされて発光特性に大
きな影響を与えることが知られている。その現象は、例
えば、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.33(1994)pp.L857〜L859“E
ffect of Substrate Microrientation and Zn DopingCh
aracteristics on the Perfomance of AlGaInP Visible
Light-emitting Diodes”あるいは、Solid-State Elec
tron.Vol.38,No.2,pp.305〜308.1995”AlGaInP ORANGE
LIGHT-EMITTING-DIODES GROWN ON MISORIENTED p-GaAs
SUBSTRATES”などに記載されている。
ｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤでは、活性層に拡散したＺｎが作
る深い準位に、キャリアがトラップされて発光特性に大
きな影響を与えることが知られている。その現象は、例
えば、Jpn.J.Appl.Phys.Vol.33(1994)pp.L857〜L859“E
ffect of Substrate Microrientation and Zn DopingCh
aracteristics on the Perfomance of AlGaInP Visible
Light-emitting Diodes”あるいは、Solid-State Elec
tron.Vol.38,No.2,pp.305〜308.1995”AlGaInP ORANGE
LIGHT-EMITTING-DIODES GROWN ON MISORIENTED p-GaAs
SUBSTRATES”などに記載されている。
【０００５】このようにＺｎが発光特性に影響を及ぼす
ことは公知だが、活性層に拡散したＺｎの量と発光特性
の相関関係については明らかではなかった。発光特性の
良いＬＥＤ用エピウェーハ（半導体層を表面にエピタキ
シャル成長したウェーハ）の製造のためには、活性層に
対するＺｎの拡散量を制御するべきだが、現状ではＺｎ
拡散をエピプロセスで精密に制御することは難しく、ま
た、Ｚｎ拡散量を評価する安易な方法がないため、発光
特性の安定したエピタキシャルウェーハを作ることは難
しかった。
ことは公知だが、活性層に拡散したＺｎの量と発光特性
の相関関係については明らかではなかった。発光特性の
良いＬＥＤ用エピウェーハ（半導体層を表面にエピタキ
シャル成長したウェーハ）の製造のためには、活性層に
対するＺｎの拡散量を制御するべきだが、現状ではＺｎ
拡散をエピプロセスで精密に制御することは難しく、ま
た、Ｚｎ拡散量を評価する安易な方法がないため、発光
特性の安定したエピタキシャルウェーハを作ることは難
しかった。
【０００６】すなわち、従来は、ドーパントであるＺｎ
（亜鉛）の拡散を制御することは困難であり、また、ど
れだけ活性層にＺｎが拡散すると発光特性が劣化するの
か明らかでなかった。
（亜鉛）の拡散を制御することは困難であり、また、ど
れだけ活性層にＺｎが拡散すると発光特性が劣化するの
か明らかでなかった。
【０００７】つまり、Ｚｎの活性層への拡散量と発光特
性との関係に関する検討は不十分であり、今もって活性
層へのＺｎ拡散量に関する明確な指針は打ち出されてい
ない。
性との関係に関する検討は不十分であり、今もって活性
層へのＺｎ拡散量に関する明確な指針は打ち出されてい
ない。
【０００８】活性層に拡散したＺｎの量を測定するには
通常ＳＩＭＳ（Secondary Ion MassSpectroscopy）を用
いるが、この評価法は専門的な技術が必要とされる上
に、本質的に破壊検査であり、ルーチン的に生産される
ウェーハ一枚一枚に対応することができない。
通常ＳＩＭＳ（Secondary Ion MassSpectroscopy）を用
いるが、この評価法は専門的な技術が必要とされる上
に、本質的に破壊検査であり、ルーチン的に生産される
ウェーハ一枚一枚に対応することができない。
【０００９】一方、従来は、発光効率についても正確且
つ容易に測定することができないという問題があった。
すなわち、半導体発光素子の光特性のうち、最も重要な
ファクターは発光効率であるが、従来の方法で発光効率
を測定するには、液相もしくは気相で成長させたエピタ
キシャルウェーハに電極を設けチップ化して測定してい
た。このような方法ではチップ化の工程が必要とされ
る。そのために、チップ化に多大な時間を要し、発光効
率の迅速な評価ができない。しかも、評価用にウェーハ
を切り出すため、歩留まりが低下するという問題があっ
た。
つ容易に測定することができないという問題があった。
すなわち、半導体発光素子の光特性のうち、最も重要な
ファクターは発光効率であるが、従来の方法で発光効率
を測定するには、液相もしくは気相で成長させたエピタ
キシャルウェーハに電極を設けチップ化して測定してい
た。このような方法ではチップ化の工程が必要とされ
る。そのために、チップ化に多大な時間を要し、発光効
率の迅速な評価ができない。しかも、評価用にウェーハ
を切り出すため、歩留まりが低下するという問題があっ
た。
【００１０】これに対して、迅速かつ非接触で発光効率
を求める方法としてフォトルミネッセンス（ＰＬ）を用
いる評価方法が提案されている。これは、フォトルミネ
ッセンスのライフタイムを測定することによって発光効
率を測定する方法である。例えば、特願平６−２０２２
９６号では、ＡｌＧａＡｓ活性層を有するＬＥＤを対象
とした方法が開示されている。また、特願平３−２７９
７７７号では、プローブとＸＹステージとを組み合わせ
たライフタイムを測定する装置が提案されている。さら
に、特願平５−１９６４１９号では、ｌｎＧａＡｌＰ系
とＡｌＧａＡｓ系のＬＥＤについてレーザ励起によりラ
イフタイムを測定する方法が開示されている。
を求める方法としてフォトルミネッセンス（ＰＬ）を用
いる評価方法が提案されている。これは、フォトルミネ
ッセンスのライフタイムを測定することによって発光効
率を測定する方法である。例えば、特願平６−２０２２
９６号では、ＡｌＧａＡｓ活性層を有するＬＥＤを対象
とした方法が開示されている。また、特願平３−２７９
７７７号では、プローブとＸＹステージとを組み合わせ
たライフタイムを測定する装置が提案されている。さら
に、特願平５−１９６４１９号では、ｌｎＧａＡｌＰ系
とＡｌＧａＡｓ系のＬＥＤについてレーザ励起によりラ
イフタイムを測定する方法が開示されている。
【００１１】ライフタイム測定から発光効率を測定でき
る理由は以下のように説明できる。発光効率は内部量子
効率と外部量子効率（取り出し効率）との積で表され
る。ここで、外部量子効率は、エピ層の構造、電極パタ
ーン及びパッケージが同じ発光素子ならば一定であると
考えられるので、発光効率は内部量子効率に依存する。
る理由は以下のように説明できる。発光効率は内部量子
効率と外部量子効率（取り出し効率）との積で表され
る。ここで、外部量子効率は、エピ層の構造、電極パタ
ーン及びパッケージが同じ発光素子ならば一定であると
考えられるので、発光効率は内部量子効率に依存する。
【００１２】ライフタイムτｎは、発光ライフタイムτ
ｒと非発光ライフタイムτｎｒにより次式で表すことが
できる。 １／τｎ＝１／τｒ＋１／τｎｒ （１） 内部量子効率ηｉはライフタイムを用いて次式で表すこ
とができる。 ηｉ＝Ａ×τｎ／τｒ（Ａは定数） （２） 式（２）より、発光効率はライフタイムτｎに比例して
いることが分かる。従って、ライフタイムを測定すれば
発光効率を求めることができる。従来、このライフタイ
ムτｎを求めるに際しては、前述した３つの特許出願に
記載されているように、フォトルミネッセンス光の強度
が最高強度から１／ｅに減衰する時間をライフタイムτ
ｎと定義していた。
ｒと非発光ライフタイムτｎｒにより次式で表すことが
できる。 １／τｎ＝１／τｒ＋１／τｎｒ （１） 内部量子効率ηｉはライフタイムを用いて次式で表すこ
とができる。 ηｉ＝Ａ×τｎ／τｒ（Ａは定数） （２） 式（２）より、発光効率はライフタイムτｎに比例して
いることが分かる。従って、ライフタイムを測定すれば
発光効率を求めることができる。従来、このライフタイ
ムτｎを求めるに際しては、前述した３つの特許出願に
記載されているように、フォトルミネッセンス光の強度
が最高強度から１／ｅに減衰する時間をライフタイムτ
ｎと定義していた。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ライフタイム
τｎは発光ライフタイムτｒに依存し、発光ライフタイ
ムτｒは励起キャリア密度ｎに反比例するので、ライフ
タイムτｎも励起キャリア密度ｎに依存する。従って異
なる発光素子の間でライフタイムを比較し、発光効率を
議論するためには、励起キャリア密度ｎが等しいという
前提が必要とされる。
τｎは発光ライフタイムτｒに依存し、発光ライフタイ
ムτｒは励起キャリア密度ｎに反比例するので、ライフ
タイムτｎも励起キャリア密度ｎに依存する。従って異
なる発光素子の間でライフタイムを比較し、発光効率を
議論するためには、励起キャリア密度ｎが等しいという
前提が必要とされる。
【００１４】一方で、近年のＭＯＣＶＤによるエピ技術
の向上は、薄膜の膜厚や組成の精密制御を可能とし、そ
れに伴ってＩｎＧａＡｌＰ系ＤＨ（double-heterostruc
ture）構造の可視光高輝度ＬＥＤなど励起キャリア密度
の大きなＬＥＤを実現できるようになった。その結果と
して、従来は、励起キャリア密度が小さいために励起キ
ャリア密度の大きさを考慮せず求めていたライフタイム
測定方法では、発光効率を正確に予測することが困難と
なっている。その理由は、高輝度ＬＥＤでは励起キャリ
ア密度が大きいため、ライフタイムに及ぼす励起キャリ
ア密度の影響を無視することができないからである。そ
のため励起キャリア密度に依存せず発光効率を測定する
技術が必要とされている。
の向上は、薄膜の膜厚や組成の精密制御を可能とし、そ
れに伴ってＩｎＧａＡｌＰ系ＤＨ（double-heterostruc
ture）構造の可視光高輝度ＬＥＤなど励起キャリア密度
の大きなＬＥＤを実現できるようになった。その結果と
して、従来は、励起キャリア密度が小さいために励起キ
ャリア密度の大きさを考慮せず求めていたライフタイム
測定方法では、発光効率を正確に予測することが困難と
なっている。その理由は、高輝度ＬＥＤでは励起キャリ
ア密度が大きいため、ライフタイムに及ぼす励起キャリ
ア密度の影響を無視することができないからである。そ
のため励起キャリア密度に依存せず発光効率を測定する
技術が必要とされている。
【００１５】本発明は、かかる課題の認識に基づいてな
されたものである。すなわち、その目的は、励起キャリ
ア密度によらず、本質的なライフタイムを迅速且つ非破
壊で測定することができる発光素子用エピタキシャルウ
ェーハの評価方法を提供することにある。また、本発明
は、このような評価のための評価装置も提供する。さら
に、本発明の評価方法により試作検討を行った結果、従
来よりも発光効率が高い発光素子用エピタキシャルウェ
ーハを発明するに至った。また、本発明は、このような
評価を可能とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体
も提供する。
されたものである。すなわち、その目的は、励起キャリ
ア密度によらず、本質的なライフタイムを迅速且つ非破
壊で測定することができる発光素子用エピタキシャルウ
ェーハの評価方法を提供することにある。また、本発明
は、このような評価のための評価装置も提供する。さら
に、本発明の評価方法により試作検討を行った結果、従
来よりも発光効率が高い発光素子用エピタキシャルウェ
ーハを発明するに至った。また、本発明は、このような
評価を可能とするコンピュータ読み取り可能な記録媒体
も提供する。
【００１６】
【課題を解決するための手段】本発明者は、独自の検討
の結果、ＰＬライフタイム測定を用いて、非破壊でエピ
タキシャルウェーハの良否を判断する方法を発明した。
この方法によれば、非破壊で正確に非発光ライフタイム
を求めることができ、その測定結果からウェーハの発光
効率の良、不良を判断できるので不良エピウェーハの組
立工程流出防止が可能となる。
の結果、ＰＬライフタイム測定を用いて、非破壊でエピ
タキシャルウェーハの良否を判断する方法を発明した。
この方法によれば、非破壊で正確に非発光ライフタイム
を求めることができ、その測定結果からウェーハの発光
効率の良、不良を判断できるので不良エピウェーハの組
立工程流出防止が可能となる。
【００１７】具体的には、エピタキシャルウェーハの表
面にパルスのレーザ光を照射し、活性層からのフォトル
ミネッセンス光を生ぜせしめる。この際、ウェーハの構
造は発光層にレーザ光が届き、そのレーザ光によって励
起したフォトルミネッセンス光が外部に取り出すことが
できれば良い。従って、活性層の上に電極やコンタクト
層あるいはクラッド層など入射光及びフォトルミネッセ
ンス光に対して半透明な層（吸収率が１００％よりも低
い層）が設けられていてもかまわない。
面にパルスのレーザ光を照射し、活性層からのフォトル
ミネッセンス光を生ぜせしめる。この際、ウェーハの構
造は発光層にレーザ光が届き、そのレーザ光によって励
起したフォトルミネッセンス光が外部に取り出すことが
できれば良い。従って、活性層の上に電極やコンタクト
層あるいはクラッド層など入射光及びフォトルミネッセ
ンス光に対して半透明な層（吸収率が１００％よりも低
い層）が設けられていてもかまわない。
【００１８】フォトルミネッセンス光は電気信号に変換
され、この変換された電気信号の波形の時間変化よりフ
ォトルミネッセンス光の減衰曲線を二次以上の指数関数
の和で近似する。近似式Ｉ（ｔ）は、次式により規格化
した式の形で表すことができる。
され、この変換された電気信号の波形の時間変化よりフ
ォトルミネッセンス光の減衰曲線を二次以上の指数関数
の和で近似する。近似式Ｉ（ｔ）は、次式により規格化
した式の形で表すことができる。
【００１９】 Ｉ（ｔ）＝ΣＡｉ×ｅｘｐ（−ｔ／τｉ） （３） 但し、Ａｉは、Ｉ（０）＝１となるよう規定した指数部
の係数であり、ｉは、Ｉ（ｔ）＝ΣＡｉ×ｅｘｐ（−ｔ
／τｉ）＝Ａ１×ｅｘｐ（−ｔ／τ１）＋Ａ２×ｅｘｐ
（−ｔ／τ２） ＋・・・と表した
際の添え字でｉ＝１，２，３，・・・を表す。 従来方法では、フォトルミネッセンス減衰曲線の強度が
１／ｅに減衰するまでにかかる時間をライフタイムτｎ
と定義しているが、本発明ではライフタイムτｎは次式
の形のように（３）式を時間微分して求めたフォトルミ
ネッセンス減衰曲線の時間変化率の逆数として定義す
る。 τｎ（ｔ）＝−Ｉ（ｔ）／（ｄＩ（ｔ）／ｄｔ） （４） 式（４）で求めたライフタイムτｎの時間変化を、次式
により表される時間変化率Ｋ（ｔ）で定義する。 Ｋ（ｔ）＝ｄ（１／τｎ（ｔ））／ｄｔ （５） （５）式のＫ（ｔ）がほぼ０の時のライフタイムτ
（ｔ）は非発光ライフタイムτｎｒとほぼ等しい。そこ
で、Ｋ（ｔ）がほぼ０になるライフタイムを計算機など
を用いて計算することにより、励起キャリア濃度に依存
しない材料固有の物性値である少数キャリアの非発光ラ
イフタイムτｎｒを求めることができる。
の係数であり、ｉは、Ｉ（ｔ）＝ΣＡｉ×ｅｘｐ（−ｔ
／τｉ）＝Ａ１×ｅｘｐ（−ｔ／τ１）＋Ａ２×ｅｘｐ
（−ｔ／τ２） ＋・・・と表した
際の添え字でｉ＝１，２，３，・・・を表す。 従来方法では、フォトルミネッセンス減衰曲線の強度が
１／ｅに減衰するまでにかかる時間をライフタイムτｎ
と定義しているが、本発明ではライフタイムτｎは次式
の形のように（３）式を時間微分して求めたフォトルミ
ネッセンス減衰曲線の時間変化率の逆数として定義す
る。 τｎ（ｔ）＝−Ｉ（ｔ）／（ｄＩ（ｔ）／ｄｔ） （４） 式（４）で求めたライフタイムτｎの時間変化を、次式
により表される時間変化率Ｋ（ｔ）で定義する。 Ｋ（ｔ）＝ｄ（１／τｎ（ｔ））／ｄｔ （５） （５）式のＫ（ｔ）がほぼ０の時のライフタイムτ
（ｔ）は非発光ライフタイムτｎｒとほぼ等しい。そこ
で、Ｋ（ｔ）がほぼ０になるライフタイムを計算機など
を用いて計算することにより、励起キャリア濃度に依存
しない材料固有の物性値である少数キャリアの非発光ラ
イフタイムτｎｒを求めることができる。
【００２０】以上の評価方法は、コンピュータにより処
理させることが望ましい。
理させることが望ましい。
【００２１】以上のような方法で求めた非発光ライフタ
イムτｎｒは、τｎｒが励起キャリア密度とは独立した
物性値なので、励起キャリア密度の大きな高輝度ＬＥＤ
に対しても、発光効率との良い相関関係が成り立つ。従
って、あらかじめ求められたτｎと発光効率との相関関
係を用い、ライフフタイムτｎから発光効率を測定する
よりも、あらかじめ求められた非発光ライフタイムτｎ
ｒと発光効率との相関関係を用い、τｎｒから発光効率
を測定する方が、より正確に発光効率を見積もることが
できる。
イムτｎｒは、τｎｒが励起キャリア密度とは独立した
物性値なので、励起キャリア密度の大きな高輝度ＬＥＤ
に対しても、発光効率との良い相関関係が成り立つ。従
って、あらかじめ求められたτｎと発光効率との相関関
係を用い、ライフフタイムτｎから発光効率を測定する
よりも、あらかじめ求められた非発光ライフタイムτｎ
ｒと発光効率との相関関係を用い、τｎｒから発光効率
を測定する方が、より正確に発光効率を見積もることが
できる。
【００２２】さらに、本発明者は、上述の評価方法を用
いて測定した非発光ライフタイムのデータを基にして結
晶成長条件を改善し、活性層へのＺｎ拡散量との関係を
検討した結果、Ｚｎ拡散量が面濃度で１Ｅ１３原子／ｃ
ｍ2以上のエピタキシャルウェーハは、Ｚｎ拡散量の増
加に伴って非発光ライフタイムが低下することがわかっ
た。従って、発光効率の高いＬＥＤを提供しうるエピタ
キシャルウェーハは、活性層へのＺｎ拡散量を１Ｅ１３
原子／ｃｍ2以内に抑えたウェーハ、もしくは非発光ラ
イフタイムが２０ナノ秒以上のウェーハである。このよ
うなウェーハを用いることにより、高輝度で特性の安定
したＬＥＤの生産が可能となる。
いて測定した非発光ライフタイムのデータを基にして結
晶成長条件を改善し、活性層へのＺｎ拡散量との関係を
検討した結果、Ｚｎ拡散量が面濃度で１Ｅ１３原子／ｃ
ｍ2以上のエピタキシャルウェーハは、Ｚｎ拡散量の増
加に伴って非発光ライフタイムが低下することがわかっ
た。従って、発光効率の高いＬＥＤを提供しうるエピタ
キシャルウェーハは、活性層へのＺｎ拡散量を１Ｅ１３
原子／ｃｍ2以内に抑えたウェーハ、もしくは非発光ラ
イフタイムが２０ナノ秒以上のウェーハである。このよ
うなウェーハを用いることにより、高輝度で特性の安定
したＬＥＤの生産が可能となる。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照しつつ本発明
の実施の形態について詳細に説明する。
の実施の形態について詳細に説明する。
【００２４】図１は、本発明に関わる評価装置の基本構
成を表すブロック図である。同図において、試料１は、
発光層を成長させた発光素子のエピタキシャルウェーハ
である。発光層を励起させるパルス光源２は発光層を選
択的に励起できる波長で発振するレーザで、具体的には
ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、窒素レーザ等のパルス幅
の短いレーザを使用する。
成を表すブロック図である。同図において、試料１は、
発光層を成長させた発光素子のエピタキシャルウェーハ
である。発光層を励起させるパルス光源２は発光層を選
択的に励起できる波長で発振するレーザで、具体的には
ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、窒素レーザ等のパルス幅
の短いレーザを使用する。
【００２５】パルス光源２から試料１の表面までのレー
ザ光の導入方法としては、レンズで集光、もしくは、光
ファイバーで誘導することができる。本発明者は、スト
リークカメラを用いた時間分解ＰＬ測定装置と窒素レー
ザで、数々のＬＥＤウェーハのライフタイムを測定し、
今回提案した発明に関する知見を得た。
ザ光の導入方法としては、レンズで集光、もしくは、光
ファイバーで誘導することができる。本発明者は、スト
リークカメラを用いた時間分解ＰＬ測定装置と窒素レー
ザで、数々のＬＥＤウェーハのライフタイムを測定し、
今回提案した発明に関する知見を得た。
【００２６】同期回路３は、励起光パルスを基準にし
て、検出器の検出タイミングをフォトルミネッセンス光
に同期させるための装置である。フォトルミネッセンス
光は、光ファイバーで集光した後に分光器４で分光し、
光検出器５で電気信号に変換する。得られた電気信号は
解析装置６に送られ、減衰が測定される。解析装置６
は、また、得られたフォトルミネッセンス減衰曲線から
ライフタイムを計算し、表示するとともに、光検出器や
同期回路、分光器などの制御と、各種データ処理を行
い、結果をＣＲＴ、プリンタ、記憶装置等の外部出力装
置７に出力する。解析装置６は、コンピュータから構成
され、ライフタイムを計算する機能はコンピュータのソ
フト上で実現できることは言うまでもない。
て、検出器の検出タイミングをフォトルミネッセンス光
に同期させるための装置である。フォトルミネッセンス
光は、光ファイバーで集光した後に分光器４で分光し、
光検出器５で電気信号に変換する。得られた電気信号は
解析装置６に送られ、減衰が測定される。解析装置６
は、また、得られたフォトルミネッセンス減衰曲線から
ライフタイムを計算し、表示するとともに、光検出器や
同期回路、分光器などの制御と、各種データ処理を行
い、結果をＣＲＴ、プリンタ、記憶装置等の外部出力装
置７に出力する。解析装置６は、コンピュータから構成
され、ライフタイムを計算する機能はコンピュータのソ
フト上で実現できることは言うまでもない。
【００２７】図２は、図１に例示した本発明の評価装置
における解析装置６をハードウェアで実現した概観を例
示する鳥瞰図である。この解析装置６の本体は、光検出
部５からの電気信号を解析する解析手段と、同期回路
３、分光器４、光検出器５などを制御する制御手段と、
さらに外部出力装置としてＣＲＴディスプレイなどを内
蔵する。また、フロッピーディスク装置（フロッピーデ
ィスクドライブ）８１及び光ディスク装置（光ディスク
ドライブ）８２を具備している。フロッピーディスクド
ライブ８１に対してはフロッピーディスク８３を、また
光ディスクドライブ８２に対してはＣＤ−ＲＯＭ８４を
その挿入口から挿入し、所定の読み出し操作を行うこと
により、これらの記録媒体に格納されたプログラムをシ
ステム内にインストールすることができる。また、所定
のドライブ装置を接続することにより、例えばゲームパ
ック等に利用されているメモリ装置としてのＲＯＭ８５
や、磁気テープ装置としてのカセットテープ８６を用い
ることもできる。
における解析装置６をハードウェアで実現した概観を例
示する鳥瞰図である。この解析装置６の本体は、光検出
部５からの電気信号を解析する解析手段と、同期回路
３、分光器４、光検出器５などを制御する制御手段と、
さらに外部出力装置としてＣＲＴディスプレイなどを内
蔵する。また、フロッピーディスク装置（フロッピーデ
ィスクドライブ）８１及び光ディスク装置（光ディスク
ドライブ）８２を具備している。フロッピーディスクド
ライブ８１に対してはフロッピーディスク８３を、また
光ディスクドライブ８２に対してはＣＤ−ＲＯＭ８４を
その挿入口から挿入し、所定の読み出し操作を行うこと
により、これらの記録媒体に格納されたプログラムをシ
ステム内にインストールすることができる。また、所定
のドライブ装置を接続することにより、例えばゲームパ
ック等に利用されているメモリ装置としてのＲＯＭ８５
や、磁気テープ装置としてのカセットテープ８６を用い
ることもできる。
【００２８】図３は、試料１の構造概略を例示する断面
図である。同図の例においては、基板１１の上に、ｎ型
バッファ層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ
型クラッド層１５、ｐ型電流拡散層１６、ｐ型コンタク
ト層１７が順に積層された構成を有する。基板１１とし
ては、例えばｎ型ＧａＡｓ、バッファ層１２としてもｎ
型ＧａＡｓを用いることができる。また、クラッド層１
３、１５は、例えばＩｎ0.5（Ｇａ1-yＡｌy）Ｐまたは
Ｇａ1-zＡｌzＡｓからなり、活性層１４は、これらのク
ラッド層よりもバンドギャップが小さいＩｎＧａＡｌＰ
やＧａＡｓなどからなる。また、ｐ型電流拡散層１６
は、例えばｐ型のＧａＡｌＡｓからなり、ｐ型コンタク
ト層１７はｐ型ＧａＡｓからなる。
図である。同図の例においては、基板１１の上に、ｎ型
バッファ層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ
型クラッド層１５、ｐ型電流拡散層１６、ｐ型コンタク
ト層１７が順に積層された構成を有する。基板１１とし
ては、例えばｎ型ＧａＡｓ、バッファ層１２としてもｎ
型ＧａＡｓを用いることができる。また、クラッド層１
３、１５は、例えばＩｎ0.5（Ｇａ1-yＡｌy）Ｐまたは
Ｇａ1-zＡｌzＡｓからなり、活性層１４は、これらのク
ラッド層よりもバンドギャップが小さいＩｎＧａＡｌＰ
やＧａＡｓなどからなる。また、ｐ型電流拡散層１６
は、例えばｐ型のＧａＡｌＡｓからなり、ｐ型コンタク
ト層１７はｐ型ＧａＡｓからなる。
【００２９】本発明のライフタイム測定の特徴は非破
壊、非接触で発光効率を測定できる点にある。すなわ
ち、本発明においては、例えば活性層１４の上にクラッ
ド層１５や電流拡散層１６などがあっても光検出器５で
検出できるＰＬ光強度があれば、非発光ライフタイムは
励起キャリア密度に依存しないので正確に測定できると
いうメリットがある。この事情は、活性層の上に、さら
に電極やコンタクト層、電流阻止層などが設けられてい
ても同様である。
壊、非接触で発光効率を測定できる点にある。すなわ
ち、本発明においては、例えば活性層１４の上にクラッ
ド層１５や電流拡散層１６などがあっても光検出器５で
検出できるＰＬ光強度があれば、非発光ライフタイムは
励起キャリア密度に依存しないので正確に測定できると
いうメリットがある。この事情は、活性層の上に、さら
に電極やコンタクト層、電流阻止層などが設けられてい
ても同様である。
【００３０】また、本発明の測定方法においては、励起
光を顕微鏡等に集光、照射することにより、すでに素子
化されたサンプルについても適用できることは言うまで
もない。このように、ウェーハ段階での非発光ライフタ
イム測定により、チップ化以前に発光効率を物差しとし
た良品ウェーハ、不良品ウェーハの迅速な選別とエピ成
長行程へのフィードバックが可能となり、さらに不良ウ
ェーハの後行程の流出が防止できるので、大幅な歩留ま
り向上が可能である。
光を顕微鏡等に集光、照射することにより、すでに素子
化されたサンプルについても適用できることは言うまで
もない。このように、ウェーハ段階での非発光ライフタ
イム測定により、チップ化以前に発光効率を物差しとし
た良品ウェーハ、不良品ウェーハの迅速な選別とエピ成
長行程へのフィードバックが可能となり、さらに不良ウ
ェーハの後行程の流出が防止できるので、大幅な歩留ま
り向上が可能である。
【００３１】図４は、本発明により測定したＩｎＧａＡ
ｌＰ系ＬＥＤのＰＬ強度減衰曲線を表すグラフ図であ
る。すなわち、同図の縦軸はＰＬ光の強度を表し、横軸
は時間を表す。同図から、レーザによりキャリアが生成
され、生成されたキャリアの再結合で放出したＰＬ光が
時間の経過と共に減衰していることが分かる。このＰＬ
光減衰曲線の傾きがライフタイムであり、そのライフタ
イムはＰＬ光減衰曲線の近似式Ｉ（ｔ）を微分して求め
る。生成されたキャリアは、時間と共に数が減る。ここ
で、任意の時間ｔ（ここで、ｔ＞０とする）における励
起キャリア密度ｎ（ｔ）を以下の式で規定する。 ｎ（ｔ）／ｎ（０）＝（Ｉ（ｔ）／Ｉ（０））0.5 この式ではレーザが活性層１４を励起した瞬間をｔ＝０
としている。
ｌＰ系ＬＥＤのＰＬ強度減衰曲線を表すグラフ図であ
る。すなわち、同図の縦軸はＰＬ光の強度を表し、横軸
は時間を表す。同図から、レーザによりキャリアが生成
され、生成されたキャリアの再結合で放出したＰＬ光が
時間の経過と共に減衰していることが分かる。このＰＬ
光減衰曲線の傾きがライフタイムであり、そのライフタ
イムはＰＬ光減衰曲線の近似式Ｉ（ｔ）を微分して求め
る。生成されたキャリアは、時間と共に数が減る。ここ
で、任意の時間ｔ（ここで、ｔ＞０とする）における励
起キャリア密度ｎ（ｔ）を以下の式で規定する。 ｎ（ｔ）／ｎ（０）＝（Ｉ（ｔ）／Ｉ（０））0.5 この式ではレーザが活性層１４を励起した瞬間をｔ＝０
としている。
【００３２】図５は、この式による励起キャリア密度を
横軸に、ＰＬ光減衰曲線の近似式から計算したライフタ
イムの値を縦軸にプロットしたグラフ図である。ライフ
タイムτｎは、発光ライフタイムτｒと非発光ライフタ
イムτｎｒ、再結合定数Ｂと励起キャリア密度ｎで以下
のように表す。 １／τｎ＝１／τｒ＋１／τｎｒ＝Ｂｎ＋１／τｎｒ 図５では、低キャリア密度の領域において、曲線が一定
の値に収束している。この収束値は、キャリア濃度に依
存しない非発光ライフタイムの逆数に相当する。したが
って、任意のエピタキシャルウェーハのＰＬ減衰曲線の
測定結果より図４のライフタイムの励起キャリア密度依
存性グラフを導出すれば、そのグラフが低励起キャリア
密度において収束する値から非発光ライフタイムを求め
ることができる。
横軸に、ＰＬ光減衰曲線の近似式から計算したライフタ
イムの値を縦軸にプロットしたグラフ図である。ライフ
タイムτｎは、発光ライフタイムτｒと非発光ライフタ
イムτｎｒ、再結合定数Ｂと励起キャリア密度ｎで以下
のように表す。 １／τｎ＝１／τｒ＋１／τｎｒ＝Ｂｎ＋１／τｎｒ 図５では、低キャリア密度の領域において、曲線が一定
の値に収束している。この収束値は、キャリア濃度に依
存しない非発光ライフタイムの逆数に相当する。したが
って、任意のエピタキシャルウェーハのＰＬ減衰曲線の
測定結果より図４のライフタイムの励起キャリア密度依
存性グラフを導出すれば、そのグラフが低励起キャリア
密度において収束する値から非発光ライフタイムを求め
ることができる。
【００３３】従来方法のライフタイムより発光効率を測
定する方法では、ライフタイムを求める際に励起キャリ
ア密度は指定しておらず、単純にフォトルミネッセンス
光の強度が１／ｅに減少する時間よりライフタイムを求
めている。励起キャリア密度は励起光強度以外にも、活
性層の膜厚、試料表面の反射、励起光の入射角度など様
々な要因に支配されているので、従来方法で求めたライ
フタイムの値は励起キャリア密度を支配する様々な要素
の誤差を包括した値である。つまり、このようなライフ
タイムより計算する発光効率は大きな誤差を含んでいる
と言わざるをえない。
定する方法では、ライフタイムを求める際に励起キャリ
ア密度は指定しておらず、単純にフォトルミネッセンス
光の強度が１／ｅに減少する時間よりライフタイムを求
めている。励起キャリア密度は励起光強度以外にも、活
性層の膜厚、試料表面の反射、励起光の入射角度など様
々な要因に支配されているので、従来方法で求めたライ
フタイムの値は励起キャリア密度を支配する様々な要素
の誤差を包括した値である。つまり、このようなライフ
タイムより計算する発光効率は大きな誤差を含んでいる
と言わざるをえない。
【００３４】発明者らはエピウェーハを分割し、一方は
チップ化して発光効率を測定した。また、一方はエッチ
ングを施しライフタイム測定を行った。ライフタイムの
導出は、従来方法による測定と本発明による非発光ライ
フタイム測定の両方について行い、発光効率との相関関
係の比較を行った。
チップ化して発光効率を測定した。また、一方はエッチ
ングを施しライフタイム測定を行った。ライフタイムの
導出は、従来方法による測定と本発明による非発光ライ
フタイム測定の両方について行い、発光効率との相関関
係の比較を行った。
【００３５】図６は、本発明により測定されたライフタ
イムとＬＥＤの発光効率との相関を表すグラフ図であ
る。図７は、従来の方法により測定されたライフタイム
とＬＥＤの発光効率との相関を表すグラフ図である。図
６から、本発明により測定した非発光ライフタイムは発
光効率と強い相関関係を有していることが分かる。これ
に対して、図７から、従来の測定方法によるライフタイ
ムは発光効率との相関関係がはるかに弱いことが分か
る。この差は、従来方法が励起キャリア密度に依存して
いるのに対し、非発光ライフタイムは励起キャリア密度
の影響を受けない分、発光層の結晶性を正確に反映して
いるためだからであると言える。
イムとＬＥＤの発光効率との相関を表すグラフ図であ
る。図７は、従来の方法により測定されたライフタイム
とＬＥＤの発光効率との相関を表すグラフ図である。図
６から、本発明により測定した非発光ライフタイムは発
光効率と強い相関関係を有していることが分かる。これ
に対して、図７から、従来の測定方法によるライフタイ
ムは発光効率との相関関係がはるかに弱いことが分か
る。この差は、従来方法が励起キャリア密度に依存して
いるのに対し、非発光ライフタイムは励起キャリア密度
の影響を受けない分、発光層の結晶性を正確に反映して
いるためだからであると言える。
【００３６】実際に、本発明により測定した非発光ライ
フタイムから計算した発光効率が３．９％のウェーハに
ついて、このウェーハに電極を設けて素子化し電気的に
発光効率を測定したところ、発光効率は４．０％であっ
た。
フタイムから計算した発光効率が３．９％のウェーハに
ついて、このウェーハに電極を設けて素子化し電気的に
発光効率を測定したところ、発光効率は４．０％であっ
た。
【００３７】図８は、本発明の評価方法により選別した
ＩｎＧａＡｌＰ系のＬＥＤウェーハについて、チップ毎
の発光効率の度数を相対値で表したものである。すなわ
ち、同図は、従来の結晶成長方法によりエピウェーハを
成長し、本発明の評価方法によりライフタイムを選別し
てチップ化工程に投入し、その発光効率を測定した結果
を表す。同図には、比較のために、従来の評価方法によ
り評価したＬＥＤウェーハの発光効率データも併せて示
した。なお、この品種のＬＥＤチップの発光効率の規格
は、３％以上である。
ＩｎＧａＡｌＰ系のＬＥＤウェーハについて、チップ毎
の発光効率の度数を相対値で表したものである。すなわ
ち、同図は、従来の結晶成長方法によりエピウェーハを
成長し、本発明の評価方法によりライフタイムを選別し
てチップ化工程に投入し、その発光効率を測定した結果
を表す。同図には、比較のために、従来の評価方法によ
り評価したＬＥＤウェーハの発光効率データも併せて示
した。なお、この品種のＬＥＤチップの発光効率の規格
は、３％以上である。
【００３８】従来の評価方法により選別したウェーハの
場合には、エピタキシャル成長の際に発生した不良ウェ
ーハからチップ化した全総数の約２２％が不良となって
いた。これに対して、本発明の評価方法によりチップ発
光効率の良否をエピウェーハの段階で判別し、良品ウェ
ーハのみ組立工程に流した場合には、低発光効率の不良
は４％と劇的に低下した。このように、本発明によれば
従来よりもはるかに高い精度と信頼度とを有する非破壊
評価が可能となる。
場合には、エピタキシャル成長の際に発生した不良ウェ
ーハからチップ化した全総数の約２２％が不良となって
いた。これに対して、本発明の評価方法によりチップ発
光効率の良否をエピウェーハの段階で判別し、良品ウェ
ーハのみ組立工程に流した場合には、低発光効率の不良
は４％と劇的に低下した。このように、本発明によれば
従来よりもはるかに高い精度と信頼度とを有する非破壊
評価が可能となる。
【００３９】さらに、本発明者は、本発明の評価方法に
よりエピウェーハの非発光ライフタイムを測定し、その
結果をＭＯＣＶＤ法の成長条件にフィードバックして、
より長いライフタイムが得られる成長条件について試作
検討した。
よりエピウェーハの非発光ライフタイムを測定し、その
結果をＭＯＣＶＤ法の成長条件にフィードバックして、
より長いライフタイムが得られる成長条件について試作
検討した。
【００４０】すなわち、成長条件を種々に調節してＬＥ
Ｄのエピウェーハを成長し、ライフタイムと活性層への
Ｚｎの拡散量を調べた結果、成長パラメータのうちで、
活性層の成長温度と電流拡散層の成長温度との関係を調
節することにより、極めて良好なエピタキシャルウェー
ハを得られることが分かった。具体的には、電流拡散層
の成長温度を活性層の成長温度よりも３０℃程下げるこ
とにより、活性層へのＺｎの拡散を顕著に抑制して、従
来よりも高い発光効率を有するＬＥＤを安定して得られ
ることが分かった。
Ｄのエピウェーハを成長し、ライフタイムと活性層への
Ｚｎの拡散量を調べた結果、成長パラメータのうちで、
活性層の成長温度と電流拡散層の成長温度との関係を調
節することにより、極めて良好なエピタキシャルウェー
ハを得られることが分かった。具体的には、電流拡散層
の成長温度を活性層の成長温度よりも３０℃程下げるこ
とにより、活性層へのＺｎの拡散を顕著に抑制して、従
来よりも高い発光効率を有するＬＥＤを安定して得られ
ることが分かった。
【００４１】図９は、ＭＯＣＶＤ法によるＩｎＧａＡｌ
Ｐ系ＬＥＤウェーハのＳＩＭＳによる不純物プロファイ
ルを例示するグラフ図である。すなわち、同図は、クラ
ッド層及び活性層へのＺｎ拡散量を表す。ＭＯＣＶＤ法
によるエピウェーハでは、このように、Ｐクラッド側か
ら活性層にＺｎが拡散しており、Ｓｉ，Ｃ，Ｏの不純物
元素は測定限界以下であった。このように活性層に拡散
したＺｎがキャリアをトラップする非発光センターとな
り、少数キャリアのライフタイムを低下させ、しいては
発光素子の発光効率を劣化させる。
Ｐ系ＬＥＤウェーハのＳＩＭＳによる不純物プロファイ
ルを例示するグラフ図である。すなわち、同図は、クラ
ッド層及び活性層へのＺｎ拡散量を表す。ＭＯＣＶＤ法
によるエピウェーハでは、このように、Ｐクラッド側か
ら活性層にＺｎが拡散しており、Ｓｉ，Ｃ，Ｏの不純物
元素は測定限界以下であった。このように活性層に拡散
したＺｎがキャリアをトラップする非発光センターとな
り、少数キャリアのライフタイムを低下させ、しいては
発光素子の発光効率を劣化させる。
【００４２】Ｚｎの活性層への拡散量の計算はクラッド
層と活性層との界面からのＺｎ濃度を深さ方向に積分し
て求めることができる。ＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤのクラ
ッド層と活性層とではＡｌ組成が異なるので、ＳＩＭＳ
で測定するとマトリクス効果により、図９に示したよう
に、クラッド層と活性層でＰ（りん）原子の二次イオン
強度にズレが生ずる。このズレによりクラッド層と活性
層との界面を判断することができる。Ｚｎ拡散の深さ方
向の起点は、Ｐの二次イオン強度が活性層側で一定とな
る位置とし、Ｚｎ濃度の下限はＳｌＭＳ測定におけるＺ
ｎ濃度のバックグラウンドレベルとする。ＳｌＭＳ測定
における深さ方向のステップ数はできる限り多くとるこ
とが望ましい。Ｚｎ濃度換算には、活性層組成と同じ組
成のエピウェーハにＺｎをイオン化して打ち込んだ標準
サンプルを用いる必要がある。
層と活性層との界面からのＺｎ濃度を深さ方向に積分し
て求めることができる。ＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤのクラ
ッド層と活性層とではＡｌ組成が異なるので、ＳＩＭＳ
で測定するとマトリクス効果により、図９に示したよう
に、クラッド層と活性層でＰ（りん）原子の二次イオン
強度にズレが生ずる。このズレによりクラッド層と活性
層との界面を判断することができる。Ｚｎ拡散の深さ方
向の起点は、Ｐの二次イオン強度が活性層側で一定とな
る位置とし、Ｚｎ濃度の下限はＳｌＭＳ測定におけるＺ
ｎ濃度のバックグラウンドレベルとする。ＳｌＭＳ測定
における深さ方向のステップ数はできる限り多くとるこ
とが望ましい。Ｚｎ濃度換算には、活性層組成と同じ組
成のエピウェーハにＺｎをイオン化して打ち込んだ標準
サンプルを用いる必要がある。
【００４３】以上の条件で活性層へのＺｎ拡散量を定量
化すると、本発明により得られた拡散の少ないエピウェ
ーハではＺｎ拡散量は１Ｅ１３原子／ｃｍ2以内であ
り、従来の成長方法により得られたＺｎ拡散の顕著なエ
ピウェーハでは１Ｅ１３原子／ｃｍ2以上であることが
判明した。
化すると、本発明により得られた拡散の少ないエピウェ
ーハではＺｎ拡散量は１Ｅ１３原子／ｃｍ2以内であ
り、従来の成長方法により得られたＺｎ拡散の顕著なエ
ピウェーハでは１Ｅ１３原子／ｃｍ2以上であることが
判明した。
【００４４】また、本発明者は、これらのＺｎ拡散量を
評価した各エピウェーハについて、本発明の評価方法に
よりＰＬライフタイムを測定し、Ｚｎ拡散量と非発光ラ
イフタイムとの相関関係を調べた。図１０は、Ｚｎの拡
散量と非発光ライフタイムとの関係を表すグラフ図であ
る。なお、非発光ライフタイムの測定は、上述した本発
明の方法により実施した。同図から、本発明によるウェ
ーハでは、非発光ライフタイムが２０ナノ秒以上であ
り、Ｚｎ拡散量は１Ｅ１３原子／ｃｍ2以下であること
が分かる。これに対して、従来の方法によるウェーハの
場合は、活性層への拡散量が１Ｅ１３原子／ｃｍ2以上
であり、拡散量の増加に伴って非発光ライフタイムが極
端に短くなることが分かる。
評価した各エピウェーハについて、本発明の評価方法に
よりＰＬライフタイムを測定し、Ｚｎ拡散量と非発光ラ
イフタイムとの相関関係を調べた。図１０は、Ｚｎの拡
散量と非発光ライフタイムとの関係を表すグラフ図であ
る。なお、非発光ライフタイムの測定は、上述した本発
明の方法により実施した。同図から、本発明によるウェ
ーハでは、非発光ライフタイムが２０ナノ秒以上であ
り、Ｚｎ拡散量は１Ｅ１３原子／ｃｍ2以下であること
が分かる。これに対して、従来の方法によるウェーハの
場合は、活性層への拡散量が１Ｅ１３原子／ｃｍ2以上
であり、拡散量の増加に伴って非発光ライフタイムが極
端に短くなることが分かる。
【００４５】本発明によるエピウェーハをチップ化して
評価した結果、平均の発光効率は約６％以上であり、従
来のエピウェーハよりも顕著に高い発光効率が得られ
た。つまり、活性層に拡散したＺｎが１Ｅ１３原子／ｃ
ｍ2以上になると、このＺｎがキャリアをトラップする
非発光センタとして支配的な振る舞いをし、非発光ライ
フタイムを短くする。非発光ライフタイムが短くなると
いうことは内部量子効率が小さくなることと同等であ
り、内部量子効率の低下が発光効率の低下をもたらす。
評価した結果、平均の発光効率は約６％以上であり、従
来のエピウェーハよりも顕著に高い発光効率が得られ
た。つまり、活性層に拡散したＺｎが１Ｅ１３原子／ｃ
ｍ2以上になると、このＺｎがキャリアをトラップする
非発光センタとして支配的な振る舞いをし、非発光ライ
フタイムを短くする。非発光ライフタイムが短くなると
いうことは内部量子効率が小さくなることと同等であ
り、内部量子効率の低下が発光効率の低下をもたらす。
【００４６】これに対して、本発明により得られたエピ
ウェーハは、活性層へのＺｎ拡散量が１Ｅ１３原子／ｃ
ｍ2以下で、非発光ライフタイムが２０ナノ秒以上であ
り、発光効率が従来のものよりも顕著に高いことが分か
った。
ウェーハは、活性層へのＺｎ拡散量が１Ｅ１３原子／ｃ
ｍ2以下で、非発光ライフタイムが２０ナノ秒以上であ
り、発光効率が従来のものよりも顕著に高いことが分か
った。
【００４７】以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施
の形態について説明した。本発明によれば、ＬＥＤの大
幅な歩留まり改善が可能となる。
の形態について説明した。本発明によれば、ＬＥＤの大
幅な歩留まり改善が可能となる。
【００４８】そして、本発明の非発光ライフタイム計算
方法、エピタキシャルウェーハ結晶性の良否判断方法
は、青色ＬＥＤ材料である窒化物系化合物半導体（Ｉｎ
ＧａＡｌＮなど）やその他、ＧａＡｓ系、ＧａＰ系、Ｉ
ｎＰ系、ＺｎＳｅ系、ＳｉＣ系をはじめとした各種の材
料系の半導体発光素子にも適応できることは言うまでも
ない。
方法、エピタキシャルウェーハ結晶性の良否判断方法
は、青色ＬＥＤ材料である窒化物系化合物半導体（Ｉｎ
ＧａＡｌＮなど）やその他、ＧａＡｓ系、ＧａＰ系、Ｉ
ｎＰ系、ＺｎＳｅ系、ＳｉＣ系をはじめとした各種の材
料系の半導体発光素子にも適応できることは言うまでも
ない。
【００４９】要するに本発明の主旨を逸脱しない範囲で
種々の変形適応が可能である。
種々の変形適応が可能である。
【００５０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
励起キャリア密度に依存することなく、活性層における
本来の非発光ライフタイムを正確且つ容易に測定するこ
とができるようになる。その結果として、高い発光効率
を有するエピタキシャルウェーハを確実に選別すること
ができるようになり、製造歩留まりが劇的に改善され
る。
励起キャリア密度に依存することなく、活性層における
本来の非発光ライフタイムを正確且つ容易に測定するこ
とができるようになる。その結果として、高い発光効率
を有するエピタキシャルウェーハを確実に選別すること
ができるようになり、製造歩留まりが劇的に改善され
る。
【００５１】すなわち、本発明によれば、エピウェーハ
の段階で、即座に不良ウェーハと良品ウェーハの選別が
可能となり、不良ウェーハの流出防止が図れ、歩留まり
が向上する。例えば、図８に例示したように低輝度不良
率が２２％から４％に激減する。
の段階で、即座に不良ウェーハと良品ウェーハの選別が
可能となり、不良ウェーハの流出防止が図れ、歩留まり
が向上する。例えば、図８に例示したように低輝度不良
率が２２％から４％に激減する。
【００５２】また、本発明のライフタイムから発光効率
を予測する方法は、チップ化してから測定する従来方法
に比べて非接触測定の為、簡便、迅速に測定することが
でき、産業上有益な効果が期待できる。また、本発明に
よれば、このような非発光ライフタイムの測定を非破壊
且つ短時間で行うことができる。従って、測定のために
ウェーハを無駄にすることもなく、また測定のためにス
ループットが低下するという弊害も解消することができ
る。
を予測する方法は、チップ化してから測定する従来方法
に比べて非接触測定の為、簡便、迅速に測定することが
でき、産業上有益な効果が期待できる。また、本発明に
よれば、このような非発光ライフタイムの測定を非破壊
且つ短時間で行うことができる。従って、測定のために
ウェーハを無駄にすることもなく、また測定のためにス
ループットが低下するという弊害も解消することができ
る。
【００５３】さらに、本発明によれば、非発光ライフタ
イムの大きさが２０ナノ秒以上であるエピタキシャルウ
ェーハが得られ、活性層へのＺｎの拡散量を１Ｅ１３原
子／ｃｍ2以内に抑えて従来よりも極めて良好な発光特
性を実現することができる。
イムの大きさが２０ナノ秒以上であるエピタキシャルウ
ェーハが得られ、活性層へのＺｎの拡散量を１Ｅ１３原
子／ｃｍ2以内に抑えて従来よりも極めて良好な発光特
性を実現することができる。
【００５４】以上詳述したように、本発明によれば、良
品ウェーハ、不良ウェーハの選別を容易にし歩留まりが
向上する。また、発光素子製造に不可欠な発光効率測定
を高精度に行うことができるので、産業上有益な効果が
期待できる。
品ウェーハ、不良ウェーハの選別を容易にし歩留まりが
向上する。また、発光素子製造に不可欠な発光効率測定
を高精度に行うことができるので、産業上有益な効果が
期待できる。
【図１】本発明に関わる評価装置の基本構成を表すブロ
ック図である。
ック図である。
【図２】図１に例示した本発明の評価装置における解析
装置６をハードウェアで実現した概観を例示する鳥瞰図
である。
装置６をハードウェアで実現した概観を例示する鳥瞰図
である。
【図３】試料１の構造概略を例示する断面図である。
【図４】本発明により測定したＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤ
のＰＬ強度減衰曲線を表すグラフ図である。
のＰＬ強度減衰曲線を表すグラフ図である。
【図５】本発明において励起キャリア密度を横軸に、Ｐ
Ｌ光減衰曲線の近似式から計算したライフタイムの値を
縦軸にプロットしたグラフ図である。
Ｌ光減衰曲線の近似式から計算したライフタイムの値を
縦軸にプロットしたグラフ図である。
【図６】本発明により測定されたライフタイムとＬＥＤ
の発光効率との相関を表すグラフ図である。
の発光効率との相関を表すグラフ図である。
【図７】従来の方法により測定されたライフタイムとＬ
ＥＤの発光効率との相関を表すグラフ図である。
ＥＤの発光効率との相関を表すグラフ図である。
【図８】本発明により評価したＩｎＧａＡｌＰ系のＬＥ
Ｄウェーハにおいて、チップ毎の発光効率の度数を相対
値で表したものである。
Ｄウェーハにおいて、チップ毎の発光効率の度数を相対
値で表したものである。
【図９】ＭＯＣＶＤ法によるＩｎＧａＡｌＰ系ＬＥＤの
ＳＩＭＳによる不純物プロファイルを例示するグラフ図
である。
ＳＩＭＳによる不純物プロファイルを例示するグラフ図
である。
【図１０】Ｚｎの拡散量と非発光ライフタイムとの関係
を表すグラフ図である。
を表すグラフ図である。
１ 試料 ２ パルス光源 ３ 同期回路 ４ 分光器 ５ 光検出器 ６ 解析装置 ７ 外部出力装置 １１ 基板 １２ バッファ層 １３ クラッド層 １４ 活性層 １５ クラッド層 １６ 電流拡散層 １７ コンタクト層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4M106 AA01 AA10 AB09 BA05 BA20 CB01 CB11 CB30 DH01 DH12 DH32 DH40 DJ21 DJ24 5F041 AA41 AA46 CA04 CA34 CA53 CA77
Claims (9)
- 【請求項１】発光素子用エピタキシャルウェーハに励起
光を照射し、 前記発光素子用エピタキシャルウェーハの活性層におい
てキャリアが励起されることにより生ずるフォトルミネ
ッセンス光を検出し、 前記フォトルミネッセンス光の強度の時間変化が一定値
以下となる時の前記フォトルミネッセンス光の強度の変
化速度から非発光ライフタイムを導出することを特徴と
する発光素子用エピタキシャルウェーハの評価方法。 - 【請求項２】発光素子用エピタキシャルウェーハに励起
光を照射し、 前記発光素子用エピタキシャルウェーハの活性層におい
てキャリアが励起されることにより生ずるフォトルミネ
ッセンス光を検出し、 前記フォトルミネッセンス光の強度の時間変化を式 Ｉ（ｔ）＝ΣＡｉ×ｅｘｐ（−ｔ／τｉ） （但し、Ａｉは、Ｉ（０）＝１となるよう規定した指数
部の係数であり、ｉは、Ｉ（ｔ）＝ΣＡｉ×ｅｘｐ（−
ｔ／τｉ）＝Ａ１×ｅｘｐ（−ｔ／τ１）＋Ａ２×ｅｘ
ｐ（−ｔ／τ２） ＋・・・と表し
た際の添え字でｉ＝１，２，３，・・・を表す）により
近似し、式 τｎ（ｔ）＝−Ｉ（ｔ）／（ｄＩ（ｔ）／ｄｔ） により定義されるライフタイムτｎ（ｔ）の時間ｔの経
過にともなう収束値からライフタイムを導出することを
特徴とする発光素子用エピタキシャルウェーハの評価方
法。 - 【請求項３】前記発光素子用エピタキシャルウェーハ
は、前記活性層の上に前記フォトルミネッセンス光に対
する吸収率が１００％よりも低い層が設けられ、 前記層を介して前記フォトルミネッセンス光を検出する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子用
エピタキシャルウェーハの評価方法。 - 【請求項４】励起光を発生させる手段と、 発光素子用エピタキシャルウェーハに前記励起光を照射
することにより生ずるフォトルミネッセンス光を検出す
る手段と、 前記フォトルミネッセンス光の強度の時間変化を解析す
る手段と、 を備え、 前記フォトルミネッセンス光の強度の時間変化が一定値
以下となる時の前記フォトルミネッセンス光の強度の変
化速度から非発光ライフタイムを導出するものとして構
成されたことを特徴とする発光素子用エピタキシャルウ
ェーハの評価装置。 - 【請求項５】励起光を発生させる手段と、 発光素子用エピタキシャルウェーハに前記励起光を照射
することにより生ずるフォトルミネッセンス光を検出す
る手段と、 前記フォトルミネッセンス光の強度の時間変化を解析す
る手段と、 を備え、 前記フォトルミネッセンス光の強度の時間変化を式 Ｉ（ｔ）＝ΣＡｉ×ｅｘｐ（−ｔ／τｉ） （但し、Ａｉは、Ｉ（０）＝１となるよう規定した指数
部の係数であり、ｉは、Ｉ（ｔ）＝ΣＡｉ×ｅｘｐ（−
ｔ／τｉ）＝Ａ１×ｅｘｐ（−ｔ／τ１）＋Ａ２×ｅｘ
ｐ（−ｔ／τ２） ＋・・・と表し
た際の添え字でｉ＝１，２，３，・・・を表す）により
近似し、式 τｎ（ｔ）＝−Ｉ（ｔ）／（ｄＩ（ｔ）／ｄｔ） により定義されるライフタイムτｎ（ｔ）の時間ｔの経
過にともなう収束値からライフタイムを導出するものと
して構成されていることを特徴とする発光素子用エピタ
キシャルウェーハの評価装置。 - 【請求項６】発光素子用エピタキシャルウェーハの活性
層においてキャリアが励起されることにより生ずるフォ
トルミネッセンス光の強度を入力する処理と、 前記フォトルミネッセンス光の強度の時間変化が一定値
以下となる時の前記フォトルミネッセンス光の強度の変
化速度から非発光ライフタイムを導出する処理と、をコ
ンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコ
ンピュータ読み取り可能な記録媒体。 - 【請求項７】発光素子用エピタキシャルウェーハの活性
層においてキャリアが励起されることにより生ずるフォ
トルミネッセンス光の強度を入力する処理と、 前記フォトルミネッセンス光の強度の時間変化を式 Ｉ（ｔ）＝ΣＡｉ×ｅｘｐ（−ｔ／τｉ） （但し、Ａｉは、Ｉ（０）＝１となるよう規定した指数
部の係数であり、ｉは、Ｉ（ｔ）＝ΣＡｉ×ｅｘｐ（−
ｔ／τｉ）＝Ａ１×ｅｘｐ（−ｔ／τ１）＋Ａ２×ｅｘ
ｐ（−ｔ／τ２） ＋・・・と表し
た際の添え字でｉ＝１，２，３，・・・を表す）により
近似し、式 τｎ（ｔ）＝−Ｉ（ｔ）／（ｄＩ（ｔ）／ｄｔ） により定義されるライフタイムτｎ（ｔ）の時間ｔの経
過にともなう収束値からライフタイムを導出する処理
と、をコンピュータに実行させるためのプログラムを記
録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。 - 【請求項８】ｎ型半導体層と、 前記ｎ型半導体層の上に設けられＩｎＧａＡｌＰを含む
活性層と、 前記活性層の上に設けられ亜鉛（Ｚｎ）を含有するｐ型
半導体層と、 を備え、前記ｐ型半導体層から前記活性層への前記亜鉛
の拡散量が、１Ｅ１３原子／ｃｍ2以内であることを特
徴とする発光素子用エピタキシャルウェーハ。 - 【請求項９】ｎ型半導体層と、 前記ｎ型半導体層の上に設けられＩｎＧａＡｌＰを含む
活性層と、 前記活性層の上に設けられ亜鉛（Ｚｎ）を含有するｐ型
半導体層と、 を備え、前記請求項１〜３のいずれか１つに記載の評価
方法により測定した前記活性層における励起キャリアの
非発光ライフタイムが２０ナノ秒以上であることを特徴
とする発光素子用エピタキシャルウェーハ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26345298A JP2000101145A (ja) | 1998-09-17 | 1998-09-17 | 発光素子用エピタキシャルウェーハの評価方法及び評価装置、コンピュータ読み取り可能な記録媒体並びに発光素子用エピタキシャルウェーハ |
| TW088115222A TW494581B (en) | 1998-09-17 | 1999-09-03 | Method for evaluating an epitaxial wafer for a light emitting device, recording medium readable by a computer and epitaxial wafer for a light emitting device |
| US09/395,182 US6373069B1 (en) | 1998-09-17 | 1999-09-14 | Method for evaluating an epitaxial wafer for a light emitting device, recording medium readable by a computer and epitaxial wafer for a light emitting device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26345298A JP2000101145A (ja) | 1998-09-17 | 1998-09-17 | 発光素子用エピタキシャルウェーハの評価方法及び評価装置、コンピュータ読み取り可能な記録媒体並びに発光素子用エピタキシャルウェーハ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000101145A true JP2000101145A (ja) | 2000-04-07 |
Family
ID=17389717
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26345298A Pending JP2000101145A (ja) | 1998-09-17 | 1998-09-17 | 発光素子用エピタキシャルウェーハの評価方法及び評価装置、コンピュータ読み取り可能な記録媒体並びに発光素子用エピタキシャルウェーハ |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6373069B1 (ja) |
| JP (1) | JP2000101145A (ja) |
| TW (1) | TW494581B (ja) |
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| CN111965512A (zh) * | 2020-07-28 | 2020-11-20 | 广西大学 | 紫外发光器件的可靠性测试系统、方法、存储介质 |
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-
1998
- 1998-09-17 JP JP26345298A patent/JP2000101145A/ja active Pending
-
1999
- 1999-09-03 TW TW088115222A patent/TW494581B/zh not_active IP Right Cessation
- 1999-09-14 US US09/395,182 patent/US6373069B1/en not_active Expired - Lifetime
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