JP2000143398A - Gallium phosphide single crystal base plate, its production and method of producing gallium phosphide light-emitting diode - Google Patents

Gallium phosphide single crystal base plate, its production and method of producing gallium phosphide light-emitting diode

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JP2000143398A
JP2000143398A JP2399899A JP2399899A JP2000143398A JP 2000143398 A JP2000143398 A JP 2000143398A JP 2399899 A JP2399899 A JP 2399899A JP 2399899 A JP2399899 A JP 2399899A JP 2000143398 A JP2000143398 A JP 2000143398A
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single crystal
layer
dislocation
substrate
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Hiroshi Okada
広 岡田
Takeo Kawanaka
岳穂 川中
Seiichiro Omoto
誠一郎 大元
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Kobe Steel Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain the GaP epitaxial growth layer with an extremely reduced dislocation density and a large luminous efficiency in high yield by lowering the dislocation density of the GaP single crystal at its surface less than a specific value and reducing the density of the dislocation loops lower than a specific value. SOLUTION: The dislocation density is kept at <=500 cm-2 and the density of the dislocation loops is lowered to <=500 cm-2. The layer having this specific value is formed on the surface of the substrate plate in a thickness of <=5 μm, the number of atoms in the dislocation loops is >=106 cm-3 per the unit volume, and Ld is >=65 μm from the surface of the substrate plate and Ld<=Ls is maintained simultaneously, when the thickness of the layer is represented by Ld and the thickness of the layer that has the above-stated number of atoms in the dislocation loops is defined as Ls. Such substrate plate is prepared by treating the substrate plate having the GaP crystal layer of <=500 cm-2 dislocation density prepared by the vertical Bridgeman method with heat at 850-1,200 deg.C in an atmosphere of phosphorus vapor lower than the Peq (the equilibrium vapor pressure of phosphorus in GaP).

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、GaP単結晶基板
及びその製造方法に関し、更には、低コスト且つ高性能
のGaP可視発光ダイオード(LED )の製造方法に関す
る技術分野に属する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a GaP single crystal substrate and a method for manufacturing the same, and further to a technical field related to a method for manufacturing a low-cost and high-performance GaP visible light emitting diode (LED).

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、SiC 材料を用いた青色の LED(可
視発光ダイオード)では高輝度が得られないため、その
用途が限定されていた。近年、新しく2cd〔cd:カンデ
ラ(光度の単位)〕以上の輝度を有するGaN 系青色LED
が開発され、既存の赤・緑のLED とあわせて光の3原色
が得られることとなり、大型の高輝度フルカラーディス
プレイ等への応用が可能となった。しかしながら、これ
ら赤、緑、青色LED の輝度を比較した場合、屋外用フル
カラーディスプレイの製造においては、赤色LEDでGaAlA
s系ダブルヘテロ構造による5cdの超高輝度化が既に達
成されているのに対して、相対的に緑色LED が輝度不足
であるという問題が顕在化してきた。
2. Description of the Related Art Hitherto, a blue LED (visible light emitting diode) using a SiC material has not been able to obtain high luminance, and thus its use has been limited. Recently, GaN-based blue LEDs with a brightness of 2 cd [cd: candela (unit of luminous intensity)] or more
Has been developed, and three primary colors of light can be obtained in addition to the existing red and green LEDs, making it possible to apply it to large high-brightness full-color displays. However, when comparing the luminance of these red, green, and blue LEDs, in the production of outdoor full-color displays, GaAlA
While the ultra-high brightness of 5 cd has already been achieved by the s-system double heterostructure, the problem that the brightness of the green LED is relatively insufficient has become apparent.

【0003】緑色LED 用材料としては、従来よりGaP が
広く使用されてきたが、最近、青色LED に次いで5cd程
度の超高輝度を有するGaInN 系LED が開発された。これ
に対し、GaP-LED は、輝度が最大0.2cd 程度であり、輝
度ではGaInN-LED やInGaAlP-LED に比べて大きく劣って
いる。しかしながら、GaInN-LED やInGaAlP-LED では、
いずれも高価な有機金属を気相エピタキシャル成長用原
料として使用し、又、基板には単結晶サファイアを用い
るため、製造コストが高く、これに対して GaP緑色LED
では、主として製造コストの低い液相エピタキシャル成
長法を用いることができ、又、基板も安価なため、安価
なLED を供給し得るという利点がある。そこで、大量の
数のLED ランプを使用する大型ディスプレイを商業的に
製造可能な価格で提供するためには、低コストな GaP緑
色LED の高輝度化が極めて重要であるといえる。
As a material for a green LED, GaP has been widely used in the past. Recently, a GaInN-based LED having an ultra-high brightness of about 5 cd has been developed next to a blue LED. On the other hand, the GaP-LED has a maximum luminance of about 0.2 cd, and is much inferior in luminance to GaInN-LED and InGaAlP-LED. However, for GaInN-LED and InGaAlP-LED,
In each case, expensive organic metal is used as a raw material for vapor phase epitaxial growth, and since single crystal sapphire is used for the substrate, the manufacturing cost is high.
In this case, there is an advantage that a liquid phase epitaxial growth method having a low production cost can be used, and an inexpensive LED can be supplied because the substrate is also inexpensive. Therefore, in order to provide a large-scale display using a large number of LED lamps at a commercially viable price, it is extremely important to increase the brightness of the low-cost GaP green LED.

【0004】そもそも、緑色GaP-LED は、自由励起子の
再結合による発光機構が支配的であるため、その発光効
率は、デバイスの活性層となるエピタキシャル成長結晶
中の転位等の構造欠陥および不純物濃度に大きく影響を
受ける。即ち、転位や不純物原子により励起子が散乱さ
れ、その寿命が短くなる。文献(別府達郎、応用物理第
47巻第1号 (1978) P64-72)には、 GaP緑色LED におけ
るエピタキシャル成長層(以下、エピ層という)中の転
位密度(8×104 〜2×106 cm-2の範囲)と発光効率と
の関係が報告されている。しかしながら、発光効率は上
記転位密度の下限値(8×104 cm-2)付近で飽和する傾
向が同時に見てとれ、転位密度がさらに減少した場合の
効果は従来不明であった。
In the first place, the emission mechanism of green GaP-LEDs is predominantly based on the mechanism of light emission due to recombination of free excitons. Therefore, the light emission efficiency depends on the structural defects such as dislocations and the impurity concentration in the epitaxially grown crystal serving as the active layer of the device. Greatly affected. That is, excitons are scattered by dislocations and impurity atoms, and the life thereof is shortened. Literature (Tatsuro Beppu, Applied Physics
Vol. 47, No. 1 (1978), P64-72) describes the dislocation density (in the range of 8 × 10 4 to 2 × 10 6 cm -2 ) and the light emission in the epitaxially grown layer (hereinafter referred to as epi layer) in GaP green LED. The relationship with efficiency has been reported. However, the luminous efficiency tends to be saturated near the lower limit of the dislocation density (8 × 10 4 cm −2 ), and the effect when the dislocation density is further reduced has not been known.

【0005】一般に、エピ層(エピタキシャル成長層)
中の転位密度は、基板単結晶の転位密度が重要な因子と
なり、これによって支配されることが、知られている。
これは、エピ層が成長するときに、基板単結晶の転位に
よる基板表面の原子配列の乱れをそのまま引きついでし
まうからである。従って、GaP エピ層の結晶性向上に
は、基板の GaP単結晶の転位密度を低減させることが不
可欠となる。
Generally, an epi layer (epitaxially grown layer)
It is known that the dislocation density in the medium is determined by the dislocation density of the substrate single crystal, which is an important factor.
This is because when the epitaxial layer grows, the disorder of the atomic arrangement on the substrate surface due to the dislocation of the substrate single crystal is directly attracted. Therefore, in order to improve the crystallinity of the GaP epi layer, it is essential to reduce the dislocation density of the GaP single crystal of the substrate.

【0006】最近、本発明者らは垂直ブリッジマン法
(以下、VB法という)によって転位密度 500cm-2以下の
GaP単結晶基板の作製に成功し、従来知られていなかっ
た低転位密度領域における発光効率の改善効果を明らか
にした(特願平09-288584 )。
[0006] Recently, the present inventors have proposed that the vertical Bridgman method (hereinafter referred to as the VB method) has a dislocation density of 500 cm -2 or less.
We succeeded in fabricating a GaP single crystal substrate, and clarified the effect of improving luminous efficiency in the low dislocation density region, which was not known before (Japanese Patent Application No. 09-288584).

【0007】GaP 単結晶基板の転位密度は、通常、いわ
ゆるRCエッチング液(HF:H2O:HNO3:AgNO3 =4ml:8ml:6m
l:10mg)でエッチングした面のエッチピット密度によっ
て評価されている。これまでの文献によると、エッチピ
ットには、転位に起因するDピットとともに、浅い皿状
のSピット、及び、錐状のCSピットがあり、特公昭60
-28800号公報では、エピ層中の転位密度はGaP 基板中の
DピットとともにCSピットの密度に依存し、両者の和
とエピ層中の転位密度とが対応することが記載されてお
り、この和が 104cm-2台のものが必要であるとしてい
る。例えば、たまたま得られたDピット密度が 102cm-2
台のウエハを基板として使用した場合でもエピ層中の転
位密度は 106cm-2台になってしまうことがあり、その原
因はCSピット密度が減少しておらず、 106cm-2台であ
ることが原因とされている。Dピットの起源は転位であ
ることが知られているが、Sピット、CSピットの起源
については明らかにされておらず、研究者によってこの
Dピット以外のピット(Sピット、CSピット)の分類
方法も異なっているのが現状である。
[0007] The dislocation density of a GaP single crystal substrate is usually determined by a so-called RC etching solution (HF: H 2 O: HNO 3 : AgNO 3 = 4 ml: 8 ml: 6 m
(l: 10mg) is evaluated by the etch pit density of the surface etched. According to the previous literature, the etch pits include a D-pit caused by dislocation, a shallow dish-shaped S pit, and a cone-shaped CS pit.
JP-28800 describes that the dislocation density in the epi layer depends on the density of CS pits together with the D pits in the GaP substrate, and that the sum of the two corresponds to the dislocation density in the epi layer. The sum of 10 4 cm -2 is required. For example, the D pit density obtained by chance is 10 2 cm -2
May dislocation density of the epitaxial layer even when using the platform of the wafer as a substrate becomes -2 10 6 cm, its causes are not reduced the CS pit density, 10 6 cm -2 It is caused by that. The origin of the D pit is known to be dislocation, but the origin of the S pit and CS pit has not been clarified. At present, the method is different.

【0008】前述のVB法によって作製した転位密度 500
cm-2以下の GaP単結晶基板においても、Sピット、CS
ピットが105 〜106 cm-2という高密度で存在しているこ
とがしばしば観察され、かかる基板をエピタキシャル成
長すなわちエピ層の成長(以降、エピ成長という)に使
用した場合、エピ成長結晶層すなわちエピ層中の転位密
度は104 cm-2台の高密度となってしまい、その発光効率
を低下させることが判明した。
[0008] The dislocation density of 500 produced by the aforementioned VB method
Even for GaP single crystal substrates of cm -2 or less, S pits, CS
It is often observed that pits are present at a high density of 10 5 to 10 6 cm -2 , and when such a substrate is used for epitaxial growth, that is, growth of an epi layer (hereinafter referred to as epi growth), an epitaxial growth crystal layer, It has been found that the dislocation density in the epi layer is as high as 10 4 cm -2, which lowers the luminous efficiency.

【0009】一方、GaP は本来そのバンド構造が間接遷
移型であることから、GaAlAs系高輝度赤色LED や昨今の
超高輝度InGaN 系緑色LED と比較するとその輝度が相対
的に低いことは否めず、また原理的にもこれらを凌駕す
ることは困難と考えられる。従って、GaP-LED において
は、その性能向上と共にさらなる低コスト化製造プロセ
スの実現が重要な技術開発課題となっている。
On the other hand, since GaP originally has an indirect transition band structure, it cannot be denied that the luminance is relatively low as compared with GaAlAs-based high-brightness red LEDs and recent ultra-high-brightness InGaN-based green LEDs. It is considered difficult to surpass these in principle. Therefore, in GaP-LEDs, improvement of the performance and realization of the manufacturing process at lower cost are important technical development issues.

【0010】現在の GaP系LED は、GaP 基板そのものを
活性層とするものではなく、基板上に形成した数層のエ
ピ成長層にpn或いはpin等の接合構造を形成し、こ
れを発光層(活性層)とする構造を有している。更に、
n層だけをとってみても、数層の多段層になっており、
製造コストはエピ成長層数が増えるにしたがって高くな
る。
The current GaP-based LED does not use a GaP substrate itself as an active layer, but forms a junction structure such as pn or pin on several epi-grown layers formed on the substrate, and forms a bonding structure such as a luminescent layer ( (Active layer). Furthermore,
Even if we take only n layers, it is a multi-layer of several layers,
The manufacturing cost increases as the number of epi growth layers increases.

【0011】現状のLED がこのように、エピ層を活性層
とする構造を持っているのは、基板結晶の結晶性及び純
度が悪く、これを活性層とするような構造をとった場
合、殆ど発光輝度が得られないためにほかならない。更
に、基板上のn層を多段層にして厚く成長させるのも同
様に、基板上のエピ層が薄い場合はエピ層が基板結晶の
影響を強く受けて結晶性や純度が劣るため、その影響が
緩和されるまでエピ成長層を厚くしているわけである。
The current LED has a structure in which the epi layer is used as the active layer as described above because the crystallinity and purity of the substrate crystal are poor, and when a structure in which this is used as the active layer is adopted, There is no other choice since almost no emission luminance can be obtained. Furthermore, when the n-layer on the substrate is multi-layered and grown thick, similarly, when the epi-layer on the substrate is thin, the epi-layer is strongly affected by the substrate crystal and the crystallinity and purity are inferior. The thickness of the epi-grown layer is increased until this is alleviated.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情に着目してなされたものであって、転位密度が低く
て発光効率が大きい GaPエピ層を歩留り良く得ることが
でき、GaP-LED 製造用基板など GaPのエピタキシャル成
長用基板として好適な GaP単結晶基板及びその製造方法
を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such circumstances, and a GaP epitaxial layer having a low dislocation density and a high luminous efficiency can be obtained with a good yield. An object of the present invention is to provide a GaP single crystal substrate suitable as a substrate for epitaxial growth of GaP, such as a substrate for LED production, and a method for producing the same.

【0013】更には、GaP-LED 製造工程において生産性
の劣るエピ成長工程が不要な工程あるいはエピ成長工程
数を従来より減少させた工程によりGaP-LED を製造し、
それによりGaP-LED 製造コストの低減をはかりつつ、従
来と同等もしくはそれ以上の性能のGaP-LED を得ること
ができるGaP-LED の製造方法を提供することを目的とす
る。
Further, in the GaP-LED manufacturing process, a GaP-LED is manufactured by a process that does not require an epi-growth process with inferior productivity or a process in which the number of epi-growth processes is reduced as compared with the conventional process.
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a GaP-LED capable of obtaining a GaP-LED having performance equal to or higher than the conventional one while reducing the manufacturing cost of the GaP-LED.

【0014】[0014]

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明に係る GaP単結晶基板及びその製造方法並
びにGaP-LED の製造方法は、請求項1〜4記載の GaP単
結晶基板、請求項5〜7記載の GaP単結晶基板の製造方
法、請求項8〜11記載のGaP-LED の製造方法としてお
り、それは次のような構成としたものである。
In order to achieve the above object, a GaP single crystal substrate according to the present invention, a method for manufacturing the same, and a method for manufacturing a GaP-LED are described in claim 1. The method of manufacturing a GaP single crystal substrate according to claims 5 to 7 and the method of manufacturing a GaP-LED according to claims 8 to 11 are configured as follows.

【0015】即ち、請求項1記載の GaP単結晶基板は、
転位密度が 500cm-2以下であり、且つ、転位ループの密
度が500 cm-2以下である表面を有することを特徴とする
GaP単結晶基板である(第1発明)。
That is, the GaP single crystal substrate according to claim 1 is
Dislocation density is not more 500 cm -2 or less, and the density of dislocation loops and having a surface is 500 cm -2 or less
It is a GaP single crystal substrate (first invention).

【0016】請求項2記載の GaP単結晶基板は、転位密
度が 500cm-2以下であり、且つ、転位ループの密度が50
0 cm-2以下である層が基板表面から5μm 以上の厚みで
形成されていることを特徴とする GaP単結晶基板である
(第2発明)。
The GaP single crystal substrate according to the second aspect has a dislocation density of 500 cm −2 or less and a dislocation loop density of 50 cm −2 or less.
A GaP single crystal substrate characterized in that a layer having a thickness of 0 cm -2 or less is formed with a thickness of 5 μm or more from the substrate surface (second invention).

【0017】請求項3記載の GaP単結晶基板は、転位密
度が 500cm-2以下であり、且つ、転位ループの密度が50
0 cm-2以下である層が基板表面に形成され、その下方に
層内の転位ループ内の原子の数が単位体積当たり106 cm
-3以上である層が形成されていることを特徴とする GaP
単結晶基板である(第3発明)。
The GaP single crystal substrate according to claim 3 has a dislocation density of 500 cm −2 or less and a dislocation loop density of 50 cm −2 or less.
0 cm -2 or less layer is formed on the substrate surface, below which the number of atoms in the dislocation loop in the layer is 10 6 cm per unit volume
GaP characterized in that a layer of -3 or more is formed
It is a single crystal substrate (third invention).

【0018】請求項4記載の GaP単結晶基板は、前記転
位密度が 500cm-2以下であり、且つ、転位ループの密度
が500 cm-2以下である層の厚さをLd、前記転位ループ内
の原子の数が単位体積当たり106 cm-3以上である層の厚
さをLsとしたとき、Ldが基板表面から65μm 以上である
と共に、LdとLsの関係がLd≦Lsであることを特徴とする
請求項3記載の GaP単結晶基板である(第4発明)。
The GaP single crystal substrate according to claim 4, wherein the dislocation density is 500 cm -2 or less, and the dislocation loop density is 500 cm -2 or less. Assuming that the thickness of the layer in which the number of atoms is 10 6 cm -3 or more per unit volume is Ls, Ld is 65 μm or more from the substrate surface, and the relationship between Ld and Ls is Ld ≦ Ls. 4. A GaP single crystal substrate according to claim 3, wherein the substrate is a GaP single crystal substrate.

【0019】請求項5記載の GaP単結晶基板の製造方法
は、基板表面の転位密度が 500cm-2以下であるGaP 単結
晶基板を、850 〜1200℃で熱処理することによる GaP単
結晶基板の製造方法である(第5発明)。
A method of manufacturing a GaP single crystal substrate according to claim 5, wherein the GaP single crystal substrate having a dislocation density of 500 cm -2 or less on the substrate surface is heat-treated at 850 to 1200 ° C. (Fifth invention).

【0020】請求項6記載の GaP単結晶基板の製造方法
は、熱処理温度におけるGaP の平衡リン蒸気圧をPeq
したとき、熱処理をPeq以下のリン蒸気圧雰囲気下で行
う請求項5記載の GaP単結晶基板の製造方法である(第
6発明)。請求項7記載のGaP 単結晶基板の製造方法
は、前記基板表面の転位密度が 500cm-2以下であるGaP
単結晶基板が垂直ブリッジマン法によって作製されてい
る請求項5又は6記載のGaP 単結晶基板の製造方法であ
る(第7発明)。
According to a sixth aspect of the present invention, in the method of manufacturing a GaP single crystal substrate, when the equilibrium phosphorus vapor pressure of GaP at the heat treatment temperature is P eq , the heat treatment is performed in a phosphorus vapor pressure atmosphere of P eq or less. (6th invention). The method of manufacturing a GaP single crystal substrate according to claim 7, wherein the dislocation density of the substrate surface is 500 cm -2 or less.
7. The method for manufacturing a GaP single crystal substrate according to claim 5, wherein the single crystal substrate is manufactured by a vertical Bridgman method (a seventh invention).

【0021】請求項8記載のGaP-LED の製造方法は、n
型もしくはp型ドーパントをドープした請求項3又は4
記載の GaP単結晶基板の表面にアクセプタ性もしくはド
ナー性の元素を拡散処理することにより、pn接合を形
成することを特徴とするGaP発光ダイオードの製造方法
である(第8発明)。即ち、請求項8記載のGaP-LEDの
製造方法は、n型ドーパントをドープした請求項3又は
4記載の GaP単結晶基板の表面にアクセプタ性の元素を
拡散処理することにより、pn接合を形成することを特
徴とするもの、もしくは、p型ドーパントをドープした
請求項3又は4記載の GaP単結晶基板の表面にドナー性
の元素を拡散処理することにより、pn接合を形成する
ことを特徴とするものである。請求項9記載のGaP-LED
の製造方法は、前記拡散処理をNH3 雰囲気で行う請求項
8記載のGaP 発光ダイオードの製造方法である(第9発
明)。
According to a eighth aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a GaP-LED.
5. The method as claimed in claim 3, wherein the p-type or p-type dopant is doped.
A method for manufacturing a GaP light-emitting diode, characterized in that a pn junction is formed by diffusing an acceptor or donor element on the surface of the GaP single crystal substrate described above (an eighth invention). That is, in the method of manufacturing a GaP-LED according to claim 8, a pn junction is formed by diffusing an acceptor element onto the surface of the GaP single crystal substrate doped with an n-type dopant according to claim 3 or 4. 5. A pn junction is formed by subjecting a surface of the GaP single crystal substrate according to claim 3 or 4 doped with a p-type dopant to a diffusion treatment with a donor element. Is what you do. A GaP-LED according to claim 9
The method of manufacturing a GaP light-emitting diode according to claim 8, wherein the diffusion treatment is performed in an NH 3 atmosphere (ninth invention).

【0022】請求項10記載のGaP-LED の製造方法は、n
型もしくはp型ドーパントをドープした請求項3又は4
記載の GaP単結晶基板の表面にエピタキシャル成長によ
りpn接合を形成することを特徴とするGaP 発光ダイオ
ードの製造方法である(第10発明)。又、請求項11記載
のGaP-LED の製造方法は、前記エピタキシャル成長をNH
3 雰囲気で行う請求項10記載のGaP 発光ダイオードの製
造方法である(第11発明)。
The method for manufacturing a GaP-LED according to claim 10 is characterized in that:
5. The method as claimed in claim 3, wherein the p-type or p-type dopant is doped.
A method for manufacturing a GaP light-emitting diode, comprising forming a pn junction on the surface of the GaP single crystal substrate described above by epitaxial growth (a tenth invention). Further, in the method of manufacturing a GaP-LED according to claim 11, the epitaxial growth is performed by NH.
11. The method for producing a GaP light-emitting diode according to claim 10, which is performed in three atmospheres (an eleventh invention).

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】本発明は、例えば次のような形態
で実施する。VB法によって得られた転位密度 500cm-2
下の GaP単結晶基板を、850 〜1200℃の熱処理温度でP
eq(熱処理温度における GaPの平衡リン蒸気圧)以下の
リン蒸気圧雰囲気下で熱処理する。そうすると、本発明
に係る GaP単結晶基板が得られる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention is embodied in the following manner, for example. A GaP single crystal substrate with a dislocation density of 500 cm -2 or less obtained by the VB method was
Heat treatment in a phosphorus vapor pressure atmosphere of eq (equilibrium phosphorus vapor pressure of GaP at heat treatment temperature) or less. Then, a GaP single crystal substrate according to the present invention is obtained.

【0024】以下、本発明について主にその作用効果を
説明する。
Hereinafter, the function and effect of the present invention will be mainly described.

【0025】本発明は、VB-GaP結晶(VB法によって得ら
れた GaP単結晶)におけるSピット及びCSピットの生
成現象とその起源について鋭意研究を重ねた結果、得ら
れた新規知見に基づき完成されるに至ったものである。
この詳細を以下説明する。
The present invention has been completed based on new findings obtained as a result of intensive studies on the formation phenomena and the origin of S and CS pits in VB-GaP crystals (GaP single crystals obtained by the VB method). It has been done.
The details will be described below.

【0026】本発明者らは、透過型電子顕微鏡(TEM )
により、VB法により成長した GaP単結晶(VB-GaP結晶)
中の欠陥を種々観察し、Sピット欠陥の起源が融液から
固化した単結晶中に過飽和に存在するGa空孔(Ga原子が
本来の格子点から抜けた点)が集合して生成したいわゆ
るイントリンシック型の積層欠陥であることを見出し
た。そもそもこのような空孔が高濃度で存在する理由と
しては、融液の化学量論的組成からのズレ(Ga量<P
量)に起因するものであることが考えられる。即ち、固
化にともなって生成した空孔欠陥は、結晶の温度が低下
するにつれて、過飽和となり、不純物原子など結晶中の
欠陥を核として{111}面上に集合、析出し、面欠陥
の一種である積層欠陥を形成すると考えられるのであ
る。
The present inventors have developed a transmission electron microscope (TEM).
Single crystal grown by VB method (VB-GaP crystal)
Observing various defects in the crystal, the origin of the S pit defect was the so-called “super saturation” of Ga vacancies (points where Ga atoms escaped from the original lattice points) formed in a single crystal solidified from the melt. It was found to be an intrinsic type stacking fault. The reason that such vacancies are present at a high concentration in the first place is that a deviation from the stoichiometric composition of the melt (Ga amount <P
Amount). In other words, the vacancy defects generated by solidification become supersaturated as the temperature of the crystal decreases, and gather and precipitate on the {111} plane with defects in the crystal such as impurity atoms as nuclei. It is considered that a certain stacking fault is formed.

【0027】Sピット欠陥のサイズは、融液から最初に
成長した部分に当たるシード側結晶では、約0.05μm と
小さく、融液から最後に成長した部分に当たるテール側
結晶では、約数μm と大きくなることがわかった。これ
は、結晶成長に伴い融液組成の化学量論的組成からのズ
レがより助長されるため、あるいは、結晶成長後の熱履
歴の差異に起因するものと考えられる。又、テール側結
晶では、エッチピットが芯を持った2個の近接したペア
ピットが見られ、このことから、Sピットは積層欠陥を
取り囲むフランク転位ループによるものであることが裏
付けられる。
The size of the S pit defect is as small as about 0.05 μm in the seed-side crystal corresponding to the portion grown first from the melt, and is as large as about several μm in the tail-side crystal corresponding to the portion grown last from the melt. I understand. This is considered to be due to the fact that the deviation of the melt composition from the stoichiometric composition is further promoted with the crystal growth, or due to the difference in the thermal history after the crystal growth. In the tail-side crystal, two adjacent paired pits having a centered etch pit are observed, which confirms that the S pit is caused by a flank dislocation loop surrounding a stacking fault.

【0028】以上のことから、従来Sピット、CSピッ
トと呼ばれていたものは、単にその欠陥サイズの違いに
よりエッチング時、外観的に芯の有無の差異(Sピッ
ト:芯無し、CSピット:芯有り)を生じていたものと
理解され、実は同一の起源すなわち積層欠陥であると解
釈される。即ち、従来は、サイズの小さいものがSピッ
ト、サイズの大きいものがCSピットと呼ばれていたに
過ぎないことが、本発明者らにより初めて明らかにされ
たのである。
From the above, what has been conventionally called an S pit or a CS pit, the difference in appearance or absence of a core at the time of etching (S pit: no core, CS pit: It is understood that the same origin, that is, a stacking fault, has actually occurred. That is, the present inventors first revealed for the first time that a small-sized one is called an S pit and a large-sized one is called a CS pit.

【0029】更に、上記の如く積層欠陥の周囲はフラン
ク型の転位ループとなっているが、TEM 観察によればこ
こにPの微小析出物が多数存在していることも判明し
た。このことから、融液からの結晶化時に過剰に存在し
ていたのはGa原子空孔(VGa)であり、 VGa + PP (格子位置のP) = VGa -VP (イ
ントリンシック積層欠陥に対応)+IP (格子間P原
子) の反応を経て、IP (格子間P原子)を生成し、IP
転位部にP微小析出物として集合、析出したものであ
る。
Further, as described above, a flank-type dislocation loop is formed around the stacking fault. According to TEM observation, it has been found that a large number of fine precipitates of P exist here. From this, Ga vacancies (V Ga ) were present in excess during crystallization from the melt, and V Ga + P P ( P at the lattice position) = V Ga -V P (Intrinsic via reaction of the corresponding to stacking faults) + I P (interstitial P atoms), and generates an I P (interstitial P atom), those I P is set as P fine precipitates dislocations, precipitated.

【0030】このような空孔などの真性点欠陥が原因と
なって、積層欠陥という、よりマクロな構造欠陥が高密
度に生成した背景として、従来のLEC 結晶〔LEC 法(液
体封止引き上げ法)によって得られた GaP単結晶〕にお
いてはこれらの点欠陥は転位がシンクとなって消滅する
機構が働いていたのに対して、VB結晶においては転位密
度が低く、点欠陥が結晶中に残存し易いことが原因とな
っているものと考えられる。即ち、このようなSピット
欠陥は、低転位密度が達成されたVB結晶においてより重
要な欠陥となることが予想される。
The background of the formation of stacking faults, which are macroscopic structural defects at a high density, due to such intrinsic point defects as vacancies, is based on the conventional LEC crystal [LEC method (liquid sealing pulling method). In the GaP single crystal obtained by), these point defects had a mechanism in which the dislocations acted as sinks and disappeared, whereas in the VB crystal, the dislocation density was low and the point defects remained in the crystal. This is considered to be due to the fact that it is easy to perform. That is, such an S pit defect is expected to be a more important defect in a VB crystal having achieved a low dislocation density.

【0031】以上のようにSピット欠陥の起源を明らか
にすることができたので、この知見をベースとしてSピ
ット欠陥を除去する方法がいくつか考えられる。結晶成
長時の融液組成の制御等もその方法の一つである。本発
明においては、単結晶基板を熱処理することによって積
層欠陥を再び空孔に分解し、結晶表面へ外方拡散させて
消滅させるという方法をSピット欠陥除去方法として採
用している(第5発明関連事項)。
As described above, the origin of the S pit defect has been clarified. Based on this finding, several methods for removing the S pit defect can be considered. Control of the melt composition during crystal growth is one of the methods. In the present invention, a method in which stacking faults are decomposed into vacancies again by heat-treating the single-crystal substrate and then diffused outward to the crystal surface to be eliminated is adopted as an S-pit defect removing method (fifth invention). Related matters).

【0032】本発明者らの知見によれば、従来にない転
位密度の極めて低い GaPエピ層を歩留り良く得てGaP 純
緑色LED の大幅な高輝度化及び高歩留り化をはかるため
には、GaP 単結晶基板としては、転位密度が 500cm-2
下であることが必要である。
According to the findings of the present inventors, in order to obtain a GaP epitaxial layer having an extremely low dislocation density, which is unprecedented, at a high yield, and to achieve a significant increase in luminance and a high yield of a GaP pure green LED, it is necessary to use GaP. The single crystal substrate needs to have a dislocation density of 500 cm -2 or less.

【0033】又、転位ループの密度を500 cm-2以下に抑
えることが必要である。この理由を以下説明する。
It is necessary to keep the density of dislocation loops at 500 cm -2 or less. The reason will be described below.

【0034】本発明において、転位密度及び転位ループ
密度は、エッチングによって形成されるピットを下記の
如く区別して計数することにより測定することができ
る。即ち、転位に起因するピットは、通常Dピットと呼
ばれ、図3のA等のような芯を持ったピットを呈する。
転位は線欠陥であり、基板表面に対し角度をもって深部
にわたって形成されているため、エッチング深さに左右
されず常に中心付近に芯を持つピットを呈する。一方、
転位ループに起因するピットは、その大きさ、角度によ
って二種類のピット形状を呈する。比較的ループ径の小
さな転位ループに起因するピットは、図5のBのような
芯が無い円形ピットを呈する(Sピットと呼ばれてい
る)。又、ループ径が比較的大きく基板表面に対して角
度をもってループが形成されている転位ループでは、図
4のCに例示する如く、あたかも2つの転位が近接して
いるような、芯のあるピットがペアとなった状態で現れ
る(CSピットと呼ばれている)。CSピットかDピッ
トかの区別は、CSピットはピットが重なり合ってペア
となっている点、及び、その大きさにより判断可能であ
る。従って、転位に起因するピット(Dピット)と転位
ループに起因するピット(Sピット、CSピット)とを
区別して計数することができ、これにより転位密度及び
転位ループ密度を求めることができる。
In the present invention, the dislocation density and the dislocation loop density can be measured by counting the pits formed by etching in the following manner. That is, the pit caused by the dislocation is usually called a D pit, and has a pit having a core such as A in FIG.
The dislocation is a line defect and is formed at a deep portion at an angle with respect to the substrate surface, so that it always has a pit having a core near the center regardless of the etching depth. on the other hand,
A pit caused by a dislocation loop has two types of pit shapes depending on its size and angle. A pit caused by a dislocation loop having a relatively small loop diameter has a centerless circular pit as shown in FIG. 5B (referred to as an S pit). In a dislocation loop having a relatively large loop diameter and a loop formed at an angle with respect to the substrate surface, as shown in FIG. 4C, a pit having a core such that two dislocations are close to each other. Appear in pairs (called CS pits). The distinction between the CS pit and the D pit can be made based on the point that the CS pits are overlapped to form a pair and the size thereof. Therefore, pits (D pits) caused by dislocations and pits (S pits and CS pits) caused by dislocation loops can be distinguished and counted, whereby the dislocation density and the dislocation loop density can be obtained.

【0035】より具体的に転位密度及び転位ループ密度
の求め方の一例を以下記述する。基板表面をRCエッチン
グ液(HF:H2O:HNO3:AgNO3 =4ml:8ml:6ml:10mg、65℃)
で3分間エッチングし、微分干渉顕微鏡を用いて観察を
行う。芯の無いピット(Sピット)であってピット直径
が0.5 μm 以上のものを計数し、単位面積当たりの個
数:Aを計算する。ピット直径が0.5 μm 未満のもの
は、ループ径が0.05μm 程度の転位ループに起因してい
ると考えられ、基板の性能に殆ど影響が無いと思われる
ため、個数から除外する。又、芯があり且つピットが重
なり合ってペアでみられるピット(CSピット)をペア
で一つとカウントして計数し、単位体積当たりの個数B
を計算する。このBを上記Aに加算し、転位ループに起
因するピット密度(以下、Sピット密度という)を求め
る。なお、転位ループが表面に露出していない場合(表
面直下にある場合、或いは、すでにエッチングにより除
去された跡としての場合)でもピットとして計測される
ため、実際にエピ成長に悪影響を及ぼす転位ループの数
は上記Sピット密度の1/2であると考え、Sピット密
度の1/2を転位ループ密度とする。
A more specific example of how to determine the dislocation density and the dislocation loop density will be described below. RC etching solution for substrate surface (HF: H 2 O: HNO 3 : AgNO 3 = 4ml: 8ml: 6ml: 10mg, 65 ℃)
And observed for 3 minutes using a differential interference microscope. The number of pits without core (S pits) having a pit diameter of 0.5 μm or more is counted, and the number per unit area: A is calculated. Pits having a pit diameter of less than 0.5 μm are considered to be caused by dislocation loops having a loop diameter of about 0.05 μm, and have almost no effect on the performance of the substrate. Pits (CS pits) that have a core and are found in pairs with overlapping pits are counted as one pair and counted.
Is calculated. This B is added to the above A, and the pit density (hereinafter, referred to as S pit density) due to the dislocation loop is obtained. Even when the dislocation loop is not exposed on the surface (in the case where the dislocation loop is just below the surface or in the case where it has already been removed by etching), it is measured as a pit. Is assumed to be の of the S pit density, and 1 / of the S pit density is defined as the dislocation loop density.

【0036】一方、芯のあるピットであり且つペアでな
いピット(Dピット)を計数し、単位面積当たりの個数
を計算し、それを転位密度とする。
On the other hand, the number of pits (D pits) that are core pits and are not paired is counted, and the number per unit area is calculated, which is defined as the dislocation density.

【0037】エピ成長と GaP単結晶基板表面との関係に
ついて種々実験した結果、従来にない転位密度の極めて
低い GaPエピ層を歩留り良く得て GaP純緑色LED の大幅
な高輝度化および高歩留り化を図るためには、GaP 単結
晶基板としては、転位密度が500 cm-2以下であることだ
けでなく、実際にエピ成長に影響を及ぼす転位ループの
密度を 500cm-2以下に抑えることが必要であることがわ
かった。これは、計測されるSピット密度としては1000
cm-2以下に抑えることが必要であることに相当する。
As a result of various experiments on the relationship between the epi growth and the surface of the GaP single crystal substrate, a GaP epi layer having an extremely low dislocation density, which has never been obtained before, was obtained at a high yield, and the high luminance and high yield of the GaP pure green LED were obtained. In order to achieve this, it is necessary for the GaP single crystal substrate not only to have a dislocation density of 500 cm -2 or less, but also to suppress the dislocation loop density, which actually affects epi growth, to 500 cm -2 or less. It turned out to be. This is a measured S-pit density of 1000
This is equivalent to the need to keep it below cm -2 .

【0038】以上の知見に基づき、本発明に係る GaP単
結晶基板は、前述の如く、転位密度が 500cm-2以下であ
り、且つ、転位ループの密度が 500cm-2以下である表面
を有することを特徴とするものとしている。従って、本
発明に係る GaP単結晶基板によれば、従来にない転位密
度が極めて低くて発光効率が大きい GaPエピ層を歩留り
良く得ることができ、 GaP純緑色LED の大幅な高輝度化
及び高歩留り化がはかれるようになる(第1発明)。
Based on the above findings, the GaP single crystal substrate according to the present invention has, as described above, a surface having a dislocation density of 500 cm −2 or less and a dislocation loop density of 500 cm −2 or less. It is characterized by the following. Therefore, according to the GaP single crystal substrate according to the present invention, it is possible to obtain a GaP epilayer having a very low dislocation density and a high luminous efficiency, which has not been achieved in the past, with a good yield. The yield is improved (first invention).

【0039】又、エピタキシャル成長する場合にその成
長最表面にのみ低転位ループ層すなわち転位ループ密
度:500cm-2以下の層が存在すればよい。エピ成長前の基
板前処理である基板表面層除去のためのエッチングや、
液相エピ成長初期における基板のメルトバックなどを勘
案しても、基板表面から5μm の厚みの部分が転位ルー
プ密度:500cm-2以下の層(以降、低欠陥層という)に形
成されていれば、上記の如き低転位密度の GaPエピ層を
得るのに充分である。従って、低欠陥層が基板表面から
5μm 以上の厚みで形成されていると、確実に、従来に
ない転位密度が極めて低くて発光効率が大きい GaPエピ
層を歩留り良く得ることができ、GaP 純緑色LED の大幅
な高輝度化及び高歩留り化がはかれるようになる(第2
発明)。
In the case of epitaxial growth, a low dislocation loop layer, that is, a layer having a dislocation loop density of 500 cm -2 or less only needs to be present only on the outermost surface of the epitaxial growth. Etching to remove the substrate surface layer, which is a substrate pretreatment before epi growth,
Even if the melt back of the substrate in the early stage of the liquid phase epitaxy is taken into consideration, if a portion having a thickness of 5 μm from the substrate surface is formed as a layer having a dislocation loop density of 500 cm −2 or less (hereinafter referred to as a low defect layer). Is sufficient to obtain a GaP epilayer having a low dislocation density as described above. Therefore, if the low-defect layer is formed with a thickness of 5 μm or more from the substrate surface, a GaP epi-layer with extremely low dislocation density and high luminous efficiency, which has never existed in the past, can be obtained with good yield. Significantly higher brightness and higher yield of LEDs will be achieved (Part 2
invention).

【0040】更に、基板内部に生成したSピット欠陥す
なわち転位ループに囲まれた面状の積層欠陥の形成は、
基板中の空孔濃度の減少をもたらし、同じく外方拡散に
より点欠陥濃度を減少させた基板表面近傍の低欠陥層中
の不純物元素を転位ループによる応力場に捕捉し、低欠
陥層中の純度を著しく向上させる効果をもたらす。つま
り、前記低欠陥層の下層にむしろ転位ループを高密度に
形成し、残存させることにより、基板表面近傍の結晶性
及び純度を向上させることができる。
Further, the formation of S-pit defects generated inside the substrate, that is, planar stacking faults surrounded by dislocation loops,
The impurity element in the low defect layer near the substrate surface, which has reduced the point defect concentration due to the outward diffusion, is also captured in the stress field by the dislocation loop, resulting in a decrease in the vacancy concentration in the substrate and the purity in the low defect layer. Has the effect of significantly improving In other words, dislocation loops are formed at a high density below the low defect layer, and the dislocation loops are formed and left, so that the crystallinity and purity near the substrate surface can be improved.

【0041】このような結晶性及び純度が向上した低欠
陥層(以下、高純度低欠陥層または高品質層という)を
有する基板は、基板表面に直接発光層を形成することが
可能であり、第1発明及び第2発明に係る基板より更に
高機能な材料とその応用法を提供するものであり、基板
表面そのものを活性層(発光層)とするようなLED の製
作も可能となる。
A substrate having such a low-defect layer with improved crystallinity and purity (hereinafter referred to as a high-purity low-defect layer or a high-quality layer) can form a light-emitting layer directly on the substrate surface. An object of the present invention is to provide a material having a higher function than the substrates according to the first and second aspects of the present invention and an application method thereof, and to manufacture an LED in which the substrate surface itself is used as an active layer (light emitting layer).

【0042】この場合、基板表面に必要な高純度低欠陥
層の厚さは、ここに形成されるLED構造によって適宜選
択されるものであるが、低欠陥層を直接活性層の一部と
して使用する構造のLED においては、一般にあまり薄い
と、注入された少数キャリアが下層にまで拡散し、非発
光的に消滅してしまうので、LED の発光効率が低下す
る。この点から、GaP では約50μm 以上の低欠陥層厚さ
が必要といえる。しかしながら、低欠陥層があまりに厚
い場合は、限られた基板厚みのなかで、下層すなわち高
密度転位ループ形成部分の割合が小さくなるため、その
不純物捕捉効果が不充分となり、上述の効果(基板表面
近傍の低欠陥層の純度を向上させる効果)が得られない
結果となる。
In this case, the thickness of the high-purity low-defect layer required on the substrate surface is appropriately selected depending on the LED structure formed here, but the low-defect layer is used directly as a part of the active layer. In an LED having such a structure, if the thickness is too small, the injected minority carriers generally diffuse to the lower layer and disappear in a non-luminous manner, so that the luminous efficiency of the LED decreases. From this point, it can be said that GaP requires a low defect layer thickness of about 50 μm or more. However, when the low defect layer is too thick, the proportion of the lower layer, that is, the portion where high-density dislocation loops are formed becomes small in the limited substrate thickness, so that the impurity trapping effect becomes insufficient, and the above-described effect (substrate surface) is obtained. The effect of improving the purity of the nearby low defect layer is not obtained.

【0043】上述の効果を得るのに必要な下層の割合
は、基板中の不純物濃度ならびに不純物を捕捉する転位
ループのサイズ(半径r)及び密度(D)に依存すると
考えられ、例えば単位体積当たりの転位ループの全長
(2πrD)が所定の濃度を持つ不純物の捕捉に充分な
長さであることが必要であると考えられる。
The ratio of the lower layer necessary to obtain the above-mentioned effect is considered to depend on the impurity concentration in the substrate and the size (radius r) and density (D) of the dislocation loop for trapping the impurities. It is thought that it is necessary that the total length (2πrD) of the dislocation loop is sufficiently long to capture impurities having a predetermined concentration.

【0044】しかしながら、これらの関係は不純物元素
の種類によっても異なり、一般的に定量化し難いもので
あるので、実際には実験により求める必要がある。そこ
で、実験を行った結果、次のことがわかった。
However, these relationships differ depending on the type of the impurity element, and are generally difficult to quantify. Therefore, it is necessary to actually determine them by experiments. Thus, as a result of an experiment, the following was found.

【0045】低欠陥層の下方に層内の転位ループ内の原
子の数が単位体積当たり106 cm-3以上である層が形成さ
れることが必要である(第3発明)。さらに基板片面側
の低欠陥層の厚さ:Ldと前記転位ループ内の原子の数が
単位体積当たり106 cm-3以上である下層の厚さ:Lsとの
間にLs≧Ldという関係があれば、良好な結果が得られる
(第4発明)。このとき、Ldとしては、前記キャリアの
下層への拡散による非発光的消滅の抑制という点と、基
板前処理であるエッチング及び液相エピ成長初期におけ
る基板のメルトバックという点を勘案すると、65μm 以
上とすることが望ましい(第4発明)。
It is necessary that a layer in which the number of atoms in the dislocation loop in the layer is 10 6 cm -3 or more per unit volume is formed below the low defect layer (third invention). Further, there is a relationship of Ls ≧ Ld between the thickness of the low-defect layer on one side of the substrate: Ld and the thickness of the lower layer: Ls in which the number of atoms in the dislocation loop is 10 6 cm −3 or more per unit volume. If so, good results can be obtained (fourth invention). At this time, Ld is 65 μm or more in consideration of suppression of non-luminous annihilation due to diffusion into the lower layer of the carrier and melting back of the substrate in the initial stage of the substrate pretreatment such as etching and liquid phase epitaxy. (Fourth invention).

【0046】例えば、厚さ300 μm のアズスライス GaP
単結晶基板を用い、後述の実施例の如く液相エピ成長に
よりLED を作製する場合、デバイスを形成する側の基板
面のエッチング厚+メルトバック厚は15μm 程度必要と
なる。一方、前記キャリアの拡散長の要請(キャリアの
下層への拡散による非発光的消滅の抑制という点)か
ら、デバイス中での高純度低欠陥層の厚みは50μm 以上
とすることが望ましい。故に、低欠陥層の厚さ:Ldとし
ては、15μm +50μm 以上=65μm 以上とすることが望
ましい。又、Ld≦Ls(下層の厚さ)とすることが望まし
い。従って、Ldは65μm 〜Ls(例えば 100μm )となる
ようにすることが望ましい。
For example, as-sliced GaP having a thickness of 300 μm
When an LED is manufactured using a single crystal substrate by liquid phase epi-growth as in the examples described later, the etching thickness + meltback thickness of the substrate surface on the device forming side needs to be about 15 μm. On the other hand, the thickness of the high-purity low-defect layer in the device is desirably 50 μm or more in view of the requirement of the carrier diffusion length (in terms of suppressing non-luminous annihilation due to diffusion into the lower layer of the carrier). Therefore, it is desirable that the thickness Ld of the low defect layer is 15 μm + 50 μm or more = 65 μm or more. It is desirable that Ld ≦ Ls (the thickness of the lower layer). Therefore, it is desirable that Ld be 65 μm to Ls (for example, 100 μm).

【0047】前記転位ループに起因するSピットのサイ
ズは、融液から最初に成長した部分に当たるシード側結
晶では約0.05μm と小さく、融液から最後に成長した部
分に当たるテール側結晶では約数μm と大きくなる。こ
の理由としては、結晶成長に伴い融液組成の化学両論的
組成からのズレがより助長されるため、あるいは、結晶
成長後の熱履歴の差異に起因するものと考えることがで
きる。例えば、結晶を冷却する段階で結晶の長手方向に
存在する温度勾配により、結晶下部の温度低下に伴って
過飽和となった空孔がより過飽和度の小さい結晶上部
(高温部)へ拡散し、最終的にテール側で空孔濃度が高
く、空孔集合体に起因する積層欠陥(=Sピット欠陥)
サイズが増大したと考えることもできる。さらに上記の
如く、積層欠陥の周囲はフランク型の転位ループとなっ
ているが、透過型電子顕微鏡観察によればここにPの微
小析出物が多数存在していることも判明した。このこと
から、転位ループには過剰な構成元素(P)或いは不純
物元素と相互作用して、このPや不純物元素を捕捉する
効果があるものと考えられる。
The size of the S pit caused by the dislocation loop is as small as about 0.05 μm in the seed-side crystal corresponding to the portion grown first from the melt, and about several μm in the tail-side crystal corresponding to the portion grown last from the melt. It becomes big. It can be considered that the reason for this is that the deviation of the melt composition from the stoichiometric composition is further promoted with the crystal growth, or that it is caused by the difference in the thermal history after the crystal growth. For example, due to the temperature gradient existing in the longitudinal direction of the crystal at the stage of cooling the crystal, the vacancies that have become supersaturated as the temperature at the lower part of the crystal lowers diffuse to the upper part (high temperature part) of the crystal with a lower degree of supersaturation, Void concentration is high on the tail side, and stacking faults (= S pit defects) caused by vacancy aggregates
It can be considered that the size has increased. Further, as described above, a flank-type dislocation loop is formed around the stacking fault. Observation by a transmission electron microscope revealed that a large number of fine precipitates of P existed here. From this, it is considered that the dislocation loop interacts with an excessive constituent element (P) or an impurity element to have an effect of trapping the P or the impurity element.

【0048】転位密度が 500cm-2以下であると共に前記
のような低欠陥層(転位ループ密度:500 cm-2以下の
層)を有する本発明に係る GaP単結晶基板は、転位密
度: 500cm-2以下の GaP単結晶基板を850 〜1200℃で熱
処理することによって製造することができる。即ち、転
位密度: 500cm-2以下の GaP単結晶基板を850 〜1200℃
で熱処理すると、Sピット欠陥の起源である積層欠陥
(融液から固化した単結晶中に過飽和に存在するGa空孔
が集合して生成したもの)を再びGa空孔に分解し、該Ga
空孔を単結晶表面へ外方拡散させて消滅させることがで
き、そのため、積層欠陥の数が減少し、低欠陥層を形成
させることができる(第5発明)。
[0048] The low-defect layer such as with dislocation density of 500 cm -2 or less: GaP single crystal substrate according to the present invention having a (dislocation loop density 500 cm -2 or less layers) is the dislocation density: 500 cm - It can be manufactured by heat-treating a GaP single crystal substrate of 2 or less at 850 to 1200 ° C. That is, a GaP single crystal substrate having a dislocation density of 500 cm -2 or less is heated to 850 to 1200 ° C.
The stacking fault, which is the origin of the S pit defect (generated by the aggregation of supersaturated Ga vacancies in the single crystal solidified from the melt), is again decomposed into Ga vacancies,
The vacancies can be diffused outward to the single crystal surface and eliminated, so that the number of stacking faults can be reduced and a low defect layer can be formed (fifth invention).

【0049】熱処理の際の温度(熱処理温度)を850 〜
1200℃とした理由について、以下説明する。
The temperature during the heat treatment (heat treatment temperature) is 850 to
The reason why the temperature is set to 1200 ° C. will be described below.

【0050】上記の如き低欠陥層を実用的な時間内(数
十時間以内)で形成させるには、熱処理温度は積層欠陥
からGa空孔が単結晶表面に拡散するために必要な適当な
速度を与える範囲でなければならず、この速度としては
数十時間以内の熱処理で足りるような速度が実用的であ
り、この点から数十時間程度の熱処理において850 ℃以
上とする必要がある。850 ℃未満ではGa空孔の単結晶表
面への拡散速度が低いため、数十時間程度の熱処理にお
いても低欠陥層を形成させることができない。かかる点
から、熱処理温度の下限値を850 ℃とした。
In order to form the low defect layer as described above within a practical time (within several tens of hours), the heat treatment temperature is set at an appropriate speed required for Ga vacancies to diffuse from the stacking faults to the single crystal surface. It is practical to use a speed that is sufficient for a heat treatment within several tens of hours. From this point, it is necessary to set the temperature to 850 ° C. or higher in a heat treatment for several tens of hours. If the temperature is lower than 850 ° C., the diffusion rate of Ga vacancies to the single crystal surface is low, so that a low defect layer cannot be formed even by heat treatment for several tens of hours. From this point, the lower limit of the heat treatment temperature was set to 850 ° C.

【0051】図1に熱処理温度と低欠陥層厚との関係を
示す。これは、転位密度: 500cm-2以下の GaP単結晶基
板を種々の温度で20時間熱処理した場合に形成された低
欠陥層の厚みを実験により求めたものである。このと
き、雰囲気のP蒸気圧が各温度での GaPの平衡リン蒸気
圧(Peq)にほぼ等しくなるようにした。
FIG. 1 shows the relationship between the heat treatment temperature and the thickness of the low defect layer. The thickness of a low defect layer formed when a GaP single crystal substrate having a dislocation density: 500 cm -2 or less was heat-treated at various temperatures for 20 hours was obtained by an experiment. At this time, the P vapor pressure of the atmosphere was set to be substantially equal to the equilibrium phosphorus vapor pressure (P eq ) of GaP at each temperature.

【0052】熱処理温度が高いほど、Ga空孔の単結晶表
面への拡散速度が高く、短時間で単結晶表面に低欠陥層
が形成され、図1に示す如く、単結晶表面に形成される
低欠陥層の厚みが厚くなるが、同時に GaPの熱分解によ
る表面荒れ等を生じる。1200℃での GaPの分解圧は3気
圧程度とされており、例えば、石英ガラス管中で GaP単
結晶基板とともにPを適量添加封入して、この封管内に
GaPの分解圧と同じ3気圧のP圧を発生させれば GaPの
熱分解は抑制される。1200℃超の温度、例えば1250℃に
なると石英ガラス管の軟化による変形が速くなり、又、
GaPの分解圧も5気圧以上と高くなるので、石英ガラス
の封管系では熱処理が困難となる。かかる点から、熱処
理温度の上限値を1200℃とした。
As the heat treatment temperature is higher, the diffusion rate of Ga vacancies to the surface of the single crystal is higher, and a low defect layer is formed on the surface of the single crystal in a short time, and is formed on the surface of the single crystal as shown in FIG. The thickness of the low defect layer increases, but at the same time, surface roughness due to thermal decomposition of GaP occurs. The decomposition pressure of GaP at 1200 ° C. is about 3 atm. For example, a suitable amount of P is added and sealed together with a GaP single crystal substrate in a quartz glass tube, and the inside of this sealed tube is filled.
If a P pressure of 3 atm, which is the same as the decomposition pressure of GaP, is generated, thermal decomposition of GaP is suppressed. When the temperature exceeds 1200 ° C, for example, 1250 ° C, the deformation due to the softening of the quartz glass tube is accelerated,
Since the decomposition pressure of GaP also becomes as high as 5 atm or more, heat treatment becomes difficult in a quartz glass sealed tube system. From this point, the upper limit of the heat treatment temperature is set to 1200 ° C.

【0053】以上のような理由により熱処理温度を850
〜1200℃としたが、さらには900 〜1150℃とすることが
望ましい。すなわち、900 ℃以上の場合には20時間程度
の熱処理で厚み5μm の低欠陥層が形成される(基板表
面から5μm 以上の厚みの部分が低欠陥層に形成され
る)。その結果、確実に、前述の如き従来にない転位密
度が極めて低くて発光効率が大きい GaPエピ層を歩留り
良く得ることができる。900 ℃未満の場合には基板表面
から5μm 未満の厚みの部分が低欠陥層に形成される。
かかる点から、900 ℃以上とすることが望ましい。一
方、熱処理系の使用材料(例えば石英ガラス管)の耐熱
性を考慮すると、1150℃以下での熱処理が工業的には好
ましい。
For the above reasons, the heat treatment temperature is set to 850.
The temperature was set to 〜1200 ° C., and more preferably 900 to 1150 ° C. That is, when the temperature is 900 ° C. or higher, a low-defect layer having a thickness of 5 μm is formed by heat treatment for about 20 hours (a portion having a thickness of 5 μm or more from the substrate surface is formed in the low-defect layer). As a result, it is possible to surely obtain a GaP epitaxial layer having an extremely low dislocation density and a high luminous efficiency, which has not existed conventionally, as described above. When the temperature is lower than 900 ° C., a portion having a thickness of less than 5 μm from the substrate surface is formed in the low defect layer.
From this point, it is desirable that the temperature be 900 ° C. or higher. On the other hand, considering the heat resistance of the material used in the heat treatment system (for example, a quartz glass tube), heat treatment at 1150 ° C. or lower is industrially preferable.

【0054】表面の低欠陥層を高純度化する(高純度低
欠陥層を形成する)ために必要な熱処理条件について以
下説明する。
The heat treatment conditions required for purifying the low-defect layer on the surface (forming a high-purity low-defect layer) will be described below.

【0055】LED の輝度低下をもたらす有害な点欠陥と
しては、GaP 半導体中で深い準位を形成する遷移金属元
素、酸素等の不純物の他、構成元素であるGa、Pの空
孔、格子間原子、アンチサイト欠陥、及び、これらと不
純物元素との複合欠陥等が考えられる。これらの GaP内
での拡散速度は必ずしも正確に求められているわけでは
ないが、最も拡散速度の小さいものはGa空孔欠陥である
と考えられ、これよりもその他の遷移金属元素、酸素等
は上記熱処理温度において大きな拡散速度を持つと推定
される。又、複合欠陥については、熱処理温度において
は不純物と点欠陥とに分解しており、それぞれの拡散速
度を考慮することにより、その挙動を扱うことができ
る。
The harmful point defects that cause a reduction in the brightness of the LED include impurities such as transition metal elements and oxygen that form deep levels in the GaP semiconductor, as well as vacancies and interstitial of Ga and P as constituent elements. An atom, an anti-site defect, and a compound defect of these and an impurity element can be considered. The diffusion rate in these GaPs is not always determined accurately, but the one with the lowest diffusion rate is considered to be Ga vacancy defects, and other transition metal elements, oxygen, etc. It is presumed to have a large diffusion rate at the above heat treatment temperature. Further, the composite defect is decomposed into impurities and point defects at the heat treatment temperature, and the behavior can be handled by considering the respective diffusion rates.

【0056】そもそも、低欠陥層の形成は、熱処理時に
空孔集合体としての積層欠陥が分解し、基板表面へGa空
孔、P空孔が外方拡散することによって起こる。このGa
空孔の拡散速度は上記の如く最も小さいので、基板表面
層に低欠陥層が形成された段階においては、既に不純物
元素及び点欠陥は充分な移動を行い、基板内部の転位ル
ープ上に捕捉されていると考えてよい。
In the first place, the formation of the low defect layer is caused by the decomposition of stacking faults as vacancy aggregates during the heat treatment and outward diffusion of Ga vacancies and P vacancies into the substrate surface. This Ga
Since the diffusion rate of vacancies is the lowest as described above, at the stage where the low defect layer is formed on the substrate surface layer, the impurity elements and point defects have already moved sufficiently and are captured on dislocation loops inside the substrate. You can think that it is.

【0057】しかし、転位ループへの不純物元素の捕捉
は、その元素と転位との相互作用エネルギーによりその
挙動が異なり、温度や不純物元素濃度によってその捕捉
率が異なってくる。一般に、拡散速度が低下して事実
上、原子や点欠陥等の移動が凍結される温度(約700
℃)以上では、相互作用エネルギーが大きく、温度が低
く、不純物濃度が高いほど、その捕捉率は大きい。
However, the behavior of the trapping of an impurity element into the dislocation loop differs depending on the interaction energy between the element and the dislocation, and the trapping rate differs depending on the temperature and the impurity element concentration. In general, the temperature at which the diffusion rate slows down and effectively freezes the movement of atoms and point defects (approximately 700
Above ° C), the higher the interaction energy, the lower the temperature, and the higher the impurity concentration, the higher the trapping rate.

【0058】従って、不純物捕捉のために、特に低欠陥
層を形成する熱処理時間以上に長く熱処理する必要はな
いが、熱処理により低欠陥層を形成した後は、基板を70
0 ℃あたりまで100 ℃/h程度で除冷してやるとよく、
これは不純物の捕捉に有効である。即ち、この除冷によ
り、低欠陥層形成の熱処理温度で捕捉されていない不純
物元素等をさらに転位ループに捕捉し得、不純物元素等
の捕捉率を極めて高くし得る。
Therefore, it is not necessary to perform a heat treatment longer than the heat treatment time for forming the low defect layer, especially for trapping impurities.
It is recommended that the temperature be reduced to about 100 ° C / h to around 0 ° C.
This is effective for trapping impurities. That is, by this cooling, impurity elements and the like not captured at the heat treatment temperature for forming the low defect layer can be further captured in the dislocation loop, and the capture rate of the impurity elements and the like can be extremely increased.

【0059】熱処理の際の雰囲気としては、熱処理温度
における GaPの平衡リン蒸気圧Peq以下のリン蒸気圧雰
囲気とし、かかる雰囲気下で熱処理することが望ましい
(第6発明)。即ち、GaP の熱分解の抑制のためには、
雰囲気中にPを添加封入してP分圧(P蒸気圧)を発生
させるとよい。このとき、P分圧(P蒸気圧)が高い
と、 GaP熱分解の抑制の面ではよいが、単結晶表面近傍
のGa空孔濃度が高くなり、それにより、結晶内部からの
Ga空孔の外方拡散が阻害される。仮に、ある熱処理温度
下でのGaP の分解圧(=平衡P蒸気圧Peq)以上のP蒸
気圧を印加すると、GaP の熱分解は完全に抑制される
が、Ga空孔の外方拡散が著しく阻害され、表面近傍の低
欠陥層の形成は著しく遅くなることがわかった。従っ
て、低欠陥層の形成のために熱処理時の雰囲気としてP
蒸気圧が低い雰囲気とすることが好ましいが、高温下に
おいてP蒸気圧が低いとGaP の熱分解が促進されるの
で、これらの兼ね合いを考慮する必要がある。かかる点
を考慮すると、GaP の分解圧(=平衡P蒸気圧Peq)を
上限とし、それ以下のP蒸気圧にするのがよい。つま
り、熱処理の際の雰囲気としては熱処理温度における G
aPの平衡リン蒸気圧Peq以下のリン蒸気圧雰囲気とする
ことが望ましい。但し、熱処理温度が比較的高く、リン
蒸気圧が低い場合は、低欠陥層の形成速度は速いが、Ga
P の熱分解も速く進行するので、熱処理時間を短時間に
制限するなどの工夫をする必要がある。
The atmosphere for the heat treatment is preferably a phosphorus vapor pressure atmosphere of GaP equilibrium phosphorus vapor pressure Peq or less at the heat treatment temperature, and the heat treatment is desirably performed in such an atmosphere (the sixth invention). That is, in order to suppress the thermal decomposition of GaP,
P may be added and sealed in the atmosphere to generate a P partial pressure (P vapor pressure). At this time, if the P partial pressure (P vapor pressure) is high, the Ga vacancy concentration near the surface of the single crystal becomes high, although it is good in terms of suppressing the thermal decomposition of GaP.
Outward diffusion of Ga vacancies is inhibited. If a P vapor pressure higher than the decomposition pressure of GaP at a certain heat treatment temperature (= equilibrium P vapor pressure P eq ) is applied, the thermal decomposition of GaP is completely suppressed, but the outward diffusion of Ga vacancies is suppressed. It was found that the formation of the low defect layer near the surface was remarkably inhibited, and the formation of the low defect layer near the surface was significantly slowed down. Therefore, the atmosphere during the heat treatment for forming the low defect layer is P
It is preferable to use an atmosphere having a low vapor pressure. However, if the P vapor pressure is low at a high temperature, thermal decomposition of GaP is promoted. In consideration of this point, it is preferable to set the decomposition pressure of GaP (= equilibrium P vapor pressure P eq ) as the upper limit and set the P vapor pressure lower than that. In other words, the atmosphere for the heat treatment is G at the heat treatment temperature.
It is desirable that the phosphorus vapor pressure atmosphere of less equilibrium phosphorus vapor pressure P eq of aP. However, when the heat treatment temperature is relatively high and the phosphorus vapor pressure is low, the formation rate of the low defect layer is high, but Ga
Since the thermal decomposition of P proceeds rapidly, it is necessary to take measures such as limiting the heat treatment time to a short time.

【0060】上記熱処理に際しては、前記の如き石英ガ
ラスの封管のような閉管系で熱処理する方法の他、開管
系において酸化防止のためにアルゴン等の不活性ガスや
水素ガスを流しながら熱処理する方法を採用することが
できる。後者の開管系での熱処理方法の場合、加熱した
P源からP気体を流したり、PH3 等のリン化合物ガスを
添加(流入)すること等により、系内の熱処理雰囲気の
P分圧を制御することができる。
In the above heat treatment, in addition to the above-described method of heat treatment in a closed tube system such as a sealed tube of quartz glass, heat treatment in an open tube system while flowing an inert gas such as argon or hydrogen gas to prevent oxidation. Can be adopted. For heat treatment method of the latter open pipe system, or flowing P gas from the heated P source, such as by adding (inflow) a phosphorus compound gas such as PH 3, P-partial pressure of the heat treatment atmosphere in the system Can be controlled.

【0061】又、液相エピ成長に先だってエピ成長炉内
において水素雰囲気下で GaP単結晶基板の熱処理を行
い、その基板表面に低欠陥層を形成させることもでき
る。この場合、炉内から基板を取り出すことなく、熱処
理に引き続いてエピ成長炉内でエピ成長を行うことがで
きるという利点がある。
Prior to the liquid phase epitaxy, a GaP single crystal substrate may be subjected to a heat treatment in a hydrogen atmosphere in an epitaxy furnace to form a low defect layer on the substrate surface. In this case, there is an advantage that epi growth can be performed in the epi growth furnace following the heat treatment without removing the substrate from the furnace.

【0062】転位密度が 500cm-2以下であると共に低欠
陥層を有する本発明に係る GaP単結晶基板を得るため
に、熱処理に供される転位密度: 500cm-2以下の GaP単
結晶基板は、特願平09-288584 に記載された低転位密度
の化合物半導体単結晶の製造方法等により得ることがで
きる。この特願平09-288584 記載の方法の一例を挙げる
と、それは下記の如き方法である。
In order to obtain a GaP single crystal substrate according to the present invention having a dislocation density of 500 cm −2 or less and having a low defect layer, a GaP single crystal substrate having a dislocation density of 500 cm −2 or less subjected to a heat treatment is: It can be obtained by a method for producing a compound semiconductor single crystal having a low dislocation density described in Japanese Patent Application No. 09-288584. An example of the method described in Japanese Patent Application No. 09-288584 is as follows.

【0063】即ち、この方法は、原料の融液に温度勾配
を与え、結晶を下方から上方に向かって固化させて単結
晶を得る垂直ブリッジマン法又は垂直温度勾配法による
低転位密度の化合物半導体単結晶の製造方法であって、
前記融液に与えられる温度勾配が、上方の7℃/cm以下
である温度勾配の小さい領域と該上方の温度勾配の2〜
4倍の温度勾配にされた下方の温度勾配の大きい領域と
からなり、結晶が成長する範囲において前記2つの領域
の境界部を有することを特徴とする低転位密度の化合物
半導体単結晶の製造方法である。この方法によれば転位
密度: 500cm-2以下の化合物半導体単結晶が得られる。
従って、この方法において製造する化合物半導体単結晶
をGaP 単結晶基板に設定すると、転位密度: 500cm-2
下の GaP単結晶基板が得られる。
That is, this method provides a compound semiconductor having a low dislocation density by a vertical Bridgman method or a vertical temperature gradient method in which a temperature gradient is applied to a raw material melt and a crystal is solidified from below to above to obtain a single crystal. A method for producing a single crystal,
The temperature gradient applied to the melt is an upper region having a small temperature gradient of 7 ° C./cm or less,
A method for producing a compound semiconductor single crystal having a low dislocation density, comprising: a lower region having a large temperature gradient formed by a quadruple temperature gradient, and having a boundary between the two regions in a range where the crystal grows. It is. According to this method, a compound semiconductor single crystal having a dislocation density of 500 cm -2 or less can be obtained.
Therefore, when the compound semiconductor single crystal manufactured by this method is set as a GaP single crystal substrate, a GaP single crystal substrate having a dislocation density of 500 cm −2 or less can be obtained.

【0064】[0064]

【実施例】(実施例1)直径50mm、面方位{111}、
転位密度 200cm-2のVB法-GaP単結晶基板(VB法によって
得られた GaP単結晶基板)6枚を石英ガラス製基板ホル
ダーに立てた状態で、内径70mmの石英ガラス管中に真空
封入した。このとき、石英ガラス管内には、上記GaP 単
結晶基板とともに、各熱処理温度におけるGaP の平衡P
分圧(平衡P蒸気圧Peq)を発生する量の赤リン、即
ち、熱処理の際の雰囲気のP蒸気圧がPeqと等しくなる
ような量の赤リンを添加した。この赤リンの添加量は、
リンが各熱処理温度でP4 分子として存在し、理想気体
として振る舞うという仮定で求めた。
(Example 1) 50 mm in diameter, plane orientation {111},
Six VB-GaP single-crystal substrates with a dislocation density of 200 cm -2 (GaP single-crystal substrates obtained by the VB method) were vacuum-enclosed in a quartz glass tube with an inner diameter of 70 mm while standing on a quartz glass substrate holder. . At this time, the equilibrium P of GaP at each heat treatment temperature is placed in the quartz glass tube together with the GaP single crystal substrate.
An amount of red phosphorus that generates a partial pressure (equilibrium P vapor pressure P eq ), that is, an amount of red phosphorus that makes the P vapor pressure of the atmosphere during the heat treatment equal to P eq was added. The amount of red phosphorus added is
It was determined on the assumption that phosphorus exists as a P 4 molecule at each heat treatment temperature and behaves as an ideal gas.

【0065】この真空封入前のVB法-GaP単結晶基板のS
ピット密度は約230 万cm-2であり、高密度であった。こ
の基板のSピット密度は、基板表面をRCエッチング液
(HF:H2O : HNO3 : AgNO3=4ml:8ml:6ml:10mg、
65℃)で3分間エッチングした後、エッチング面の光学
顕微鏡(微分干渉顕微鏡)による観察を行い、表面に形
成されている芯の無い浅い皿状のエッチピットを計数す
ることにより求めた。
The S of the VB-GaP single crystal substrate before vacuum encapsulation
The pit density was about 2.3 million cm -2 and was high density. The S pit density of this substrate was measured by using an RC etching solution (HF: H 2 O: HNO 3 : AgNO 3 = 4 ml: 8 ml: 6 ml: 10 mg,
After etching at 65 ° C.) for 3 minutes, the etched surface was observed by an optical microscope (differential interference microscope), and the number was determined by counting the number of shallow dish-shaped etch pits without a core formed on the surface.

【0066】前記GaP 単結晶基板及び赤リンが封入され
た石英ガラス管を熱処理炉内にセットし、850 、900 、
1000、1150、1200℃の各温度で20時間熱処理した後、こ
れを炉内から取り出して急冷した。
The GaP single crystal substrate and the quartz glass tube enclosing red phosphorus were set in a heat treatment furnace, and 850, 900,
After heat treatment at 1000, 1150, and 1200 ° C. for 20 hours, it was taken out of the furnace and rapidly cooled.

【0067】上記熱処理後のGaP 単結晶基板を{11
0}面でへき開した後、ABエッチング液(H2O : AgN
O3 : CrO3 : HF =20ml:80mg:10g :10ml、50℃)で4
0分間エッチングし、次いで微分干渉顕微鏡による観察
を行い、Sピット密度を計測した。そして、このSピッ
ト密度の計測結果より、低欠陥層(Sピット密度:1000
cm-2以下の層、即ち、転位ループ密度:500cm-2以下の
層)の厚みを求めた。この結果を、GaP 単結晶基板の熱
処理温度と熱処理後の低欠陥層厚との関係にして図1に
示す。
The GaP single crystal substrate after the heat treatment was replaced with # 11
After cleaving at 0 ° plane, AB etchant (H 2 O: AgN
O 3 : CrO 3 : HF = 20 ml: 80 mg: 10 g: 10 ml, 50 ° C) and 4
Etching was performed for 0 minutes, followed by observation with a differential interference microscope to measure the S pit density. From the measurement result of the S pit density, the low defect layer (S pit density: 1000
The thickness of a layer having a size of cm −2 or less, that is, a layer having a dislocation loop density of 500 cm −2 or less, was obtained. FIG. 1 shows the relationship between the heat treatment temperature of the GaP single crystal substrate and the low defect layer thickness after the heat treatment.

【0068】熱処理後のGaP 単結晶基板の表面近傍には
低欠陥層(Sピット密度:1000cm-2以下の層、即ち、転
位ループ密度:500cm-2以下の層)が形成されていた。そ
の低欠陥層の厚みは、熱処理温度:850 ℃の場合で3μ
m 、熱処理温度:1200℃の場合で110 μm であり、熱処
理温度上昇とともに急激に増大した。
In the vicinity of the surface of the GaP single crystal substrate after the heat treatment, a low defect layer (a layer having an S pit density of 1000 cm -2 or less, ie, a dislocation loop density of 500 cm -2 or less) was formed. The thickness of the low defect layer is 3 μm at a heat treatment temperature of 850 ° C.
m, heat treatment temperature: 110 μm at 1200 ° C., and increased sharply with heat treatment temperature rise.

【0069】熱処理温度:1150℃で熱処理されて得られ
たGaP 単結晶基板について、その両表面を約10μm ラッ
ピングして最表面を除去した後、エピ成長に用いた。即
ち、ラッピング後のGaP 単結晶基板を王水で5分間エッ
チングした後、通常の液相エピ成長用装置により、(1
11)P面上にアンドープGaP 層(GaP エピ層)を20μ
m 成長させた。
Heat treatment temperature: The GaP single crystal substrate obtained by heat treatment at 1150 ° C. was used for epi growth after lapping both surfaces by about 10 μm to remove the outermost surface. That is, the GaP single crystal substrate after lapping is etched with aqua regia for 5 minutes, and then (1) by a usual liquid phase epi growth apparatus.
11) An undoped GaP layer (GaP epi layer) on the P
m grown.

【0070】このようにして成長させたGaP エピ層につ
いて、RCエッチング液で3分間エッチングした後、エッ
チング面の微分干渉顕微鏡による観察を行い、転位を計
数することにより、エピ成長面における転位密度を計測
した。この結果、エピ層での転位密度は 300〜 450cm-2
であり、低いことが確認された。
After the GaP epi layer grown in this manner was etched with an RC etchant for 3 minutes, the etched surface was observed with a differential interference microscope and the number of dislocations was counted to determine the dislocation density on the epi growth surface. Measured. As a result, the dislocation density in the epi layer is 300 ~ 450cm -2
And it was confirmed that it was low.

【0071】(比較例1)実施例1での GaP単結晶基板
と単結晶インゴットで隣接する位置より採取したGaP 単
結晶基板について転位密度及びSピット密度を計測し
た。転位密度は 210cm-2、Sピット密度は280 万cm-2
あり、実施例1での熱処理前のGaP 単結晶基板の場合と
誤差の範囲内で同一であった。
(Comparative Example 1) The dislocation density and the S pit density of the GaP single crystal substrate taken from the position adjacent to the GaP single crystal substrate in Example 1 with a single crystal ingot were measured. The dislocation density was 210 cm -2 and the S pit density was 2.8 million cm -2 , which were the same as in the case of the GaP single crystal substrate before heat treatment in Example 1 within an error range.

【0072】上記GaP 単結晶基板を、熱処理することな
く、エピ成長に用い、GaP エピ層を20μm 成長させた。
このとき、基板を実施例1のエピ成長用基板と同時にエ
ピ成長用スライドボードに設置し、両者が同一の条件で
エピ成長されるようにした。
The GaP single crystal substrate was used for epi growth without heat treatment, and a GaP epi layer was grown by 20 μm.
At this time, the substrate was placed on the epi-growth slide board at the same time as the epi-growth substrate of Example 1, so that both were grown under the same conditions.

【0073】このようにして成長させたGaP エピ層につ
いて、転位密度を計測した。エピ層での転位密度は 120
00cm-2であった。これは、エピ成長用GaP 単結晶基板で
のSピット密度が高く、かかる高密度のSピットの存在
によりエピ層に高密度の転位が導入されたためである。
The dislocation density was measured for the GaP epitaxial layer grown as described above. The dislocation density in the epi layer is 120
00 cm -2 . This is because the S pit density in the GaP single crystal substrate for epi growth is high, and the high density S pits have introduced high density dislocations into the epi layer.

【0074】(実施例2)直径50mm、面方位{11
1}、転位密度 200〜500 cm-2のVB法-GaP単結晶基板6
枚を石英ガラス製基板ホルダーに立てた状態で、内径70
mmの石英ガラス管中に真空封入した。このとき、石英ガ
ラス管内には、上記GaP 単結晶基板とともに、赤リンを
添加した。この赤リンの添加量は変化させた。即ち、赤
リンの添加量は、リンが各熱処理温度でP4 分子として
存在し、理想気体として振る舞うという仮定をした条件
下で求めた量であって、1150℃の熱処理温度においてP
蒸気圧が5atm となる量、1.6atmとなる量、0.32atm と
なる量、0.16atm となる量とし、4種類に変化させた。
尚、この中、1.6atmは1150℃におけるGaP の平衡P蒸気
圧Peqに対応する。
(Example 2) A diameter of 50 mm and a plane orientation of # 11
1 V, VB-GaP single crystal substrate 6 with a dislocation density of 200 to 500 cm -2
With the pieces standing on the quartz glass substrate holder,
It was vacuum-sealed in a quartz glass tube of mm. At this time, red phosphorus was added into the quartz glass tube together with the GaP single crystal substrate. The amount of red phosphorus added was varied. That is, the added amount of red phosphorus is an amount determined under the assumption that phosphorus exists as a P 4 molecule at each heat treatment temperature and behaves as an ideal gas.
The vapor pressure was changed to 4 atm, 5 atm, 1.6 atm, 0.32 atm, and 0.16 atm.
In this inside, 1.6Atm corresponds to GaP equilibrium P vapor pressure P eq at 1150 ° C..

【0075】この真空封入前のVB法-GaP単結晶基板のS
ピット密度は約200 万〜410 万cm-2であり、高密度であ
った。
The VB-GaP single crystal substrate before vacuum sealing
The pit density was approximately 2 million to 4.1 million cm -2 , indicating high density.

【0076】前記GaP 単結晶基板及び赤リンが封入され
た石英ガラス管を熱処理炉内にセットし、1150℃で20時
間熱処理した後、これを炉内から取り出して急冷した。
この熱処理後のGaP 単結晶基板について実施例1の場合
と同様の方法により低欠陥層の厚みを求めた。この結果
を、GaP 単結晶基板の熱処理時のP蒸気圧と熱処理後の
低欠陥層厚との関係にして図2に示す。
The GaP single crystal substrate and the quartz glass tube enclosing red phosphorus were set in a heat treatment furnace, heat-treated at 1150 ° C. for 20 hours, taken out of the furnace, and rapidly cooled.
With respect to the GaP single crystal substrate after the heat treatment, the thickness of the low defect layer was determined in the same manner as in Example 1. The results are shown in FIG. 2 as a relationship between the P vapor pressure during the heat treatment of the GaP single crystal substrate and the low defect layer thickness after the heat treatment.

【0077】熱処理後のGaP 単結晶基板での低欠陥層の
厚みは、熱処理時のP蒸気圧が低いほど厚く、P蒸気
圧:5atm の場合では平均32μm であったが、P蒸気
圧:0.16atm の場合では180 μm であった。しかしなが
ら、P蒸気圧がGaP の平衡P蒸気圧Peq(1.6atm)以上
の場合には熱処理前後での重量変化が0.1 %と殆ど認め
られなかったのに対して、P蒸気圧が0.32atm 、0.16at
m の場合には、それぞれ熱処理前後での重量変化が4
%、9.6 %と比較的大きく、それに対応して基板表面の
荒れが観察された。
The thickness of the low defect layer in the GaP single crystal substrate after the heat treatment was thicker as the P vapor pressure during the heat treatment was lower. When the P vapor pressure was 5 atm, the average was 32 μm, but the P vapor pressure was 0.16. In the case of atm, it was 180 μm. However, whereas the P vapor pressure weight change before and after the heat treatment in the case of more than GaP equilibrium P vapor pressure P eq (1.6atm) was observed almost 0.1%, and P vapor pressure 0.32Atm, 0.16at
m, the weight change before and after heat treatment was 4
% And 9.6%, and the surface roughness of the substrate was observed correspondingly.

【0078】しかしながら、P蒸気圧が最も低い0.16at
m の場合、GaP 単結晶基板全体にわたって低欠陥層にな
っており、しかもSピット欠陥は皆無であった。
However, the P vapor pressure of 0.16 at
In the case of m, a low defect layer was formed over the entire GaP single crystal substrate, and there was no S pit defect.

【0079】上記のP蒸気圧:0.16atm で熱処理されて
得られたGaP 単結晶基板について、その両表面を片面当
たり20μm ラッピングして最表面を除去した後、この表
面上に実施例1の場合と同様の方法によりGaP エピ層を
20μm 成長させた。そして、このGaP エピ層について、
転位密度を計測したところ、GaP エピ層での転位密度は
450cm-2であり、熱処理の効果が確認された。
For the GaP single crystal substrate obtained by heat treatment at the above-mentioned P vapor pressure: 0.16 atm, the both surfaces were wrapped at 20 μm per side to remove the outermost surface. The GaP epi layer is formed in the same way as
The growth was 20 μm. And for this GaP epilayer,
When the dislocation density was measured, the dislocation density in the GaP epilayer was
450 cm -2 , confirming the effect of heat treatment.

【0080】上記GaP エピ層(実施例2に係るGaP エピ
層)にアルゴンレーザの488nm 光を照射し、室温におけ
る555nm 純緑色フォトルミネッセンス強度を測定した。
一方、比較例1に係るGaP エピ層についても上記と同様
の方法により555nm 純緑色フォトルミネッセンス強度を
測定した。この結果、実施例2に係るGaP エピ層の場合
は、比較例1に係るGaP エピ層の場合の約2.5 倍の純緑
色フォトルミネッセンス強度があり、低転位密度のエピ
層において発光効率が顕著に増大していることが確認さ
れた。
The GaP epilayer (GaP epilayer according to Example 2) was irradiated with 488 nm light of an argon laser, and the 555 nm pure green photoluminescence intensity at room temperature was measured.
On the other hand, for the GaP epi layer according to Comparative Example 1, pure green photoluminescence intensity at 555 nm was measured in the same manner as described above. As a result, in the case of the GaP epilayer according to Example 2, the pure green photoluminescence intensity was about 2.5 times that of the GaP epilayer according to Comparative Example 1, and the luminous efficiency was remarkable in the epilayer having a low dislocation density. It was confirmed that it was increasing.

【0081】(実施例3)直径50mm、面方位{11
1}、転位密度500 cm-2のVB法-GaP単結晶基板1枚を石
英ガラス製基板ホルダーに立てた状態で、内径80mmの石
英ガラス製反応管中に入れ、毎分1L(リットル)の水
素ガス気流中、1100℃で5時間熱処理した。そして、こ
の熱処理後のGaP 単結晶基板について実施例1の場合と
同様の方法により低欠陥層の厚みを求めた。この結果、
基板表面から15μm の厚みの部分が低欠陥層となってい
ることがわかった。
(Embodiment 3) Diameter 50 mm, plane orientation # 11
A single VB method-GaP single crystal substrate having a dislocation density of 500 cm -2 is placed on a quartz glass substrate holder and placed in a quartz glass reaction tube having an inner diameter of 80 mm. Heat treatment was performed at 1100 ° C. for 5 hours in a hydrogen gas stream. Then, the thickness of the low defect layer of the GaP single crystal substrate after the heat treatment was determined in the same manner as in Example 1. As a result,
It was found that a portion having a thickness of 15 μm from the substrate surface was a low defect layer.

【0082】(比較例2)直径50mm、面方位{11
1}、転位密度400 cm-2のVB法-GaP単結晶基板1枚を石
英ガラス製基板ホルダーに立てた状態で、内径80mmの石
英ガラス製反応管中に入れ、毎分1Lの水素ガス気流
中、1250℃で5時間熱処理した。この熱処理後のGaP 単
結晶基板については基板厚さ全体にわたって低欠陥層に
なっていた。しかしながら、熱処理により重量が35%減
少し、基板厚さも著しく不均一となったので、上記熱処
理条件は不適当である。
(Comparative Example 2) Diameter 50 mm, plane orientation # 11
1 V, a single crystal substrate of VB-GaP single crystal with a dislocation density of 400 cm -2 is placed on a quartz glass substrate holder and placed in a quartz glass reaction tube with an inner diameter of 80 mm. Medium heat treatment was performed at 1250 ° C. for 5 hours. The GaP single crystal substrate after the heat treatment was a low defect layer over the entire thickness of the substrate. However, the heat treatment reduced the weight by 35% and made the substrate thickness significantly non-uniform, so that the above heat treatment conditions were inappropriate.

【0083】(実施例4)直径50mm、面方位{11
1}、転位密度500 cm-2のVB法-GaP単結晶基板1枚を石
英ガラス製基板ホルダーに立てた状態で、内径80mmの石
英ガラス製反応管中に入れ、毎分1Lのアルゴンガス気
流中、1200℃で5時間熱処理した。この熱処理後のGaP
単結晶基板については、基板表面から35μm の厚みの部
分が低欠陥層に形成されていた。熱処理による重量減少
率は8%であり、多少表面荒れが認められたが、片面5
μm のラッピングにより平坦面が得られた。
(Embodiment 4) Diameter 50 mm, plane orientation # 11
1 V, a single VB-GaP single crystal substrate with a dislocation density of 500 cm -2 is placed on a quartz glass substrate holder and placed in a quartz glass reaction tube with an inner diameter of 80 mm. Medium heat treatment was performed at 1200 ° C. for 5 hours. GaP after this heat treatment
As for the single crystal substrate, a portion having a thickness of 35 μm from the substrate surface was formed in the low defect layer. The weight loss rate by heat treatment was 8%, and the surface was somewhat roughened.
A flat surface was obtained by lμm lapping.

【0084】(実施例5)直径50mm、面方位{11
1}、転位密度500 cm-2のVB法-GaP単結晶基板1枚を石
英ガラス製基板ホルダーに立てた状態で、内径80mmの石
英ガラス製反応管中に入れ、毎分1Lの窒素ガス気流
中、850 ℃で60時間熱処理した。この熱処理後のGaP 単
結晶基板については、基板表面から5μm の厚みの部分
が低欠陥層に形成されていた。熱処理による重量減少率
は0.05%であり、表面荒れも殆ど認められなかった。
(Example 5) A diameter of 50 mm and a plane orientation of # 11
1 V, a single VB-GaP single crystal substrate with a dislocation density of 500 cm -2 is placed on a quartz glass substrate holder and placed in a quartz glass reaction tube with an inner diameter of 80 mm, and a nitrogen gas flow of 1 L / min. Heat treatment was performed at 850 ° C. for 60 hours. As for the GaP single crystal substrate after the heat treatment, a portion having a thickness of 5 μm from the substrate surface was formed in the low defect layer. The rate of weight loss by the heat treatment was 0.05%, and almost no surface roughness was observed.

【0085】上記熱処理後のGaP 単結晶基板を、ラッピ
ングを施すことなく、王水で5分間エッチングした後、
実施例1の場合と同様の方法によりGaP エピ層を20μm
成長させた。そして、このGaP エピ層について、転位密
度を計測したところ、GaP エピ層での転位密度は面内平
均 450cm-2であり、良好であった。
After the heat-treated GaP single crystal substrate was etched with aqua regia for 5 minutes without lapping,
In the same manner as in Example 1, the GaP epi layer was
Grew. When the dislocation density of this GaP epilayer was measured, the dislocation density in the GaP epilayer was 450 cm -2 on average in the plane, which was good.

【0086】(実施例6)直径52mm、厚み300 μm 、面
方位{111}、平均転位密度200 cm-2であり、Teドー
プしたキャリア濃度が8×1017cm-3のVB法-GaP単結晶基
板6枚を石英ガラス製基板ホルダーに立てた状態で、内
径70mmの石英ガラス管中に真空封入した。このとき、石
英ガラス管内には、上記GaP 単結晶基板とともに、熱処
理温度でのGaP の平衡P分圧を発生する量の赤リンを添
加した。この赤リンの添加量は、リンが熱処理温度でP
4 分子として存在し、理想気体として振る舞うという仮
定で求めた。本実施例では、熱処理温度:1100℃、石英
ガラス管の内容積:500ml であり、0.676gの赤リンを添
加した。
Example 6 A VB-GaP single crystal having a diameter of 52 mm, a thickness of 300 μm, a plane orientation of {111}, an average dislocation density of 200 cm −2 , and a Te-doped carrier concentration of 8 × 10 17 cm −3 was used. Six crystal substrates were vacuum-enclosed in a quartz glass tube having an inner diameter of 70 mm in a state of standing on a quartz glass substrate holder. At this time, red phosphorus was added to the quartz glass tube together with the GaP single crystal substrate in such an amount as to generate an equilibrium P partial pressure of GaP at the heat treatment temperature. The amount of red phosphorus added is such that phosphorus
It was determined on the assumption that it exists as four molecules and behaves as an ideal gas. In this example, the heat treatment temperature was 1100 ° C., the internal volume of the quartz glass tube was 500 ml, and 0.676 g of red phosphorus was added.

【0087】上記石英管封入物を1100℃で20時間熱処理
した後、700 ℃まで100 ℃/hで除冷し、炉電源を切
り、放冷した。
After the above quartz tube filling was heat-treated at 1100 ° C. for 20 hours, it was cooled down to 700 ° C. at 100 ° C./h, the furnace power was turned off, and it was allowed to cool.

【0088】上記熱処理後のGaP 単結晶基板をへき開
し、ABエッチング液でエッチングし、観察を行ったとこ
ろ、GaP 単結晶基板の表面近傍に65μm 厚さの高純度低
欠陥層が形成されていた。又、(111) 面のRCエッチング
観察の結果、基板内部には、直径2μm 以下程度の転位
ループに起因するSピットが約120 万/cm-2という高密
度で観察された。
The heat-treated GaP single crystal substrate was cleaved, etched with an AB etchant, and observed. As a result, a high-purity low-defect layer having a thickness of 65 μm was formed near the surface of the GaP single crystal substrate. . As a result of RC etching observation of the (111) plane, S pits due to dislocation loops having a diameter of about 2 μm or less were observed inside the substrate at a high density of about 1.2 million / cm −2 .

【0089】上記基板のSピット欠陥を形成する転位ル
ープ面の原子の単位体積当たりの密度Dは、D(cm-3
=π×r2 ×{S/(t+2r)}×7.8 ×1014という
式により求められる。ここで、r(cm)は、透過型電子
顕微鏡観察によってループ直径:0.05μm 以上の転位ル
ープを10個選択し、それらのループの半径を平均するこ
とにより求める。S(cm-2)は、Sピット密度であり、
前述の方法(RCエッチング観察による方法)で求める。
t(cm)は、エッチング深さである。又、7.8×1014
atoms・cm-2)は、GaP における (111)面の原子密度で
ある。本実施例の場合、D=1×1017cm-3と計算され
た。
The density D of atoms on the dislocation loop surface forming the S-pit defect of the substrate per unit volume is D (cm −3 ).
= Π × r 2 × {S / (t + 2r)} × 7.8 × 10 14 Here, r (cm) is determined by selecting ten dislocation loops having a loop diameter of 0.05 μm or more by transmission electron microscope observation and averaging the radiuses of these loops. S (cm −2 ) is the S pit density,
Determined by the method described above (method based on RC etching observation).
t (cm) is the etching depth. Also, 7.8 × 10 14 (
atoms · cm −2 ) is the atomic density of the (111) plane in GaP. In this embodiment, it was calculated to be D = 1 × 10 17 cm -3 .

【0090】上記基板を用いて、次のようにして赤色 L
EDを作製した。基板1枚の表面層を王水で約15μm 除去
した後、再び石英管中に基板とZnP2:0.2gとを10Torrの
酸素雰囲気とともに封入し、800 ℃で90分間Zn拡散処理
した。この拡散処理後の基板についてGa(111) 面側を10
0 μm 研磨除去し、P(111) 面側で半導体プロファイル
アナライザーによるZn拡散プロファイルを測定したとこ
ろ、5μm のZn拡散層が形成されており、表面層はp型
化していた。pn接合界面近傍の正孔濃度は、2×1017
cm-3であった。
Using the above substrate, the red L
ED was prepared. After removing the surface layer of one substrate by aqua regia about 15 μm, the substrate and ZnP 2 : 0.2 g were again sealed in a quartz tube together with a 10 Torr oxygen atmosphere, and Zn diffusion treatment was performed at 800 ° C. for 90 minutes. The substrate after this diffusion treatment has a Ga (111)
It was polished and removed by 0 μm, and a Zn diffusion profile was measured on the P (111) surface side by a semiconductor profile analyzer. As a result, a Zn diffusion layer of 5 μm was formed, and the surface layer was p-type. The hole concentration near the pn junction interface is 2 × 10 17
cm -3 .

【0091】上記Zn拡散処理後の基板に対して、通常の
リソグラフィ法により LED用オーミック電極を形成し
た。p-GaP 側には Au-Zn合金、n-GaP 側には Au-Ge合金
を電極材料として蒸着し、熱処理を経てオーミック接触
を得た。そして、ダイシングにより個々のチップに分離
し、プローバ上で発光輝度を測定した。
An ohmic electrode for LED was formed on the substrate after the above-mentioned Zn diffusion treatment by a usual lithography method. Au-Zn alloy was deposited on the p-GaP side and Au-Ge alloy was deposited on the n-GaP side as an electrode material, and ohmic contact was obtained through heat treatment. Then, each chip was separated by dicing, and the light emission luminance was measured on a prober.

【0092】発光波長は700nm の赤色であり、市販の L
EC基板上にエピタキシャル成長により作製された Zn,O
拡散p-GaP/n-GaP/n-GaP 基板の構造を持つLED チップの
輝度に比べて、約25%輝度が高かった。
The emission wavelength is 700 nm red, and commercially available L
Zn, O fabricated by epitaxial growth on EC substrate
The brightness was about 25% higher than the brightness of an LED chip with a diffused p-GaP / n-GaP / n-GaP substrate structure.

【0093】(実施例7)実施例6の場合と同様の熱処
理法によって高純度低欠陥層を形成したGaP 単結晶基板
を用いて、純緑色 LEDを次のようにして作製した。基板
の表面層を王水で約15μm 除去した後、石英管中に基板
とZnP2:0.2gとを5×10-6Torrに真空封入し、780 ℃で
120 分間Zn拡散処理した。このZn拡散処理後の基板を用
いて、実施例6の場合と同様の方法により、 LEDチップ
を作製した。
(Example 7) A pure green LED was manufactured as follows using a GaP single crystal substrate on which a high-purity low-defect layer was formed by the same heat treatment method as in Example 6. After removing about 15 μm of the surface layer of the substrate with aqua regia, the substrate and 0.2 g of ZnP 2 were vacuum-sealed to 5 × 10 −6 Torr in a quartz tube, and then heated at 780 ° C.
The Zn diffusion treatment was performed for 120 minutes. Using the substrate after the Zn diffusion treatment, an LED chip was manufactured in the same manner as in Example 6.

【0094】上記 LEDチップの発光輝度を測定した。こ
の実施例に係る LEDチップは、市販の LEC基板上にエピ
タキシャル成長工程により作製されたp-GaP/n-GaP/i-Ga
P/n-GaP 基板構造を持つ純緑色LED チップと比較し、20
mAの電流下において 555nm発光輝度がほぼ同等であっ
た。
The emission luminance of the LED chip was measured. The LED chip according to this example is a p-GaP / n-GaP / i-Ga fabricated on a commercially available LEC substrate by an epitaxial growth process.
Compared to pure green LED chip with P / n-GaP substrate structure,
The emission luminance at 555 nm under the current of mA was almost the same.

【0095】(実施例8)直径52mm、厚み300 μm 、面
方位{111}、平均転位密度200 cm-2であり、Teドー
プしたキャリア濃度が5×1017cm-3のVB法-GaP単結晶基
板6枚を石英ガラス製基板ホルダーに立てた状態で、内
径70mmの石英ガラス管中に真空封入した。このとき、石
英ガラス管内には、上記GaP 単結晶基板とともに、熱処
理温度でのGaP の平衡P分圧を発生する量の赤リンを添
加した。この赤リンの添加量は、リンが熱処理温度でP
4 分子として存在し、理想気体として振る舞うという仮
定で求めた。本実施例では、熱処理温度:1200℃、石英
ガラス管の内容積:500ml であり、1.10g の赤リンを添
加した。
Example 8 A VB-GaP single crystal having a diameter of 52 mm, a thickness of 300 μm, a plane orientation of {111}, an average dislocation density of 200 cm −2 , and a Te-doped carrier concentration of 5 × 10 17 cm −3 was used. Six crystal substrates were vacuum-enclosed in a quartz glass tube having an inner diameter of 70 mm in a state of standing on a quartz glass substrate holder. At this time, red phosphorus was added to the quartz glass tube together with the GaP single crystal substrate in such an amount as to generate an equilibrium P partial pressure of GaP at the heat treatment temperature. The amount of red phosphorus added is such that phosphorus
It was determined on the assumption that it exists as four molecules and behaves as an ideal gas. In this example, the heat treatment temperature was 1200 ° C., the inner volume of the quartz glass tube was 500 ml, and 1.10 g of red phosphorus was added.

【0096】上記石英管封入物を1200℃で15時間熱処理
した後、700 ℃まで100 ℃/hで除冷し、炉電源を切
り、放冷した。
After the above quartz tube filling was heat-treated at 1200 ° C. for 15 hours, it was cooled down to 700 ° C. at 100 ° C./h, the furnace power was turned off, and allowed to cool.

【0097】上記熱処理後のGaP 単結晶基板についてへ
き開面のABエッチング観察を行ったところ、GaP 単結晶
基板の表面近傍に100 μm 厚さの高純度低欠陥層が形成
されていた。又、(111) 面のRCエッチング観察の結果、
基板内部には、直径5μm 以下程度の転位ループに起因
するSピットが約50万/cm-2という高密度で観察され
た。この場合、Sピット欠陥を形成する転位ループ面の
原子の単位体積当たりの密度Dは、2.7 ×1018cm-3とな
る。
AB etching of the cleaved surface of the GaP single crystal substrate after the heat treatment was observed. As a result, a high-purity low-defect layer having a thickness of 100 μm was formed near the surface of the GaP single crystal substrate. Also, as a result of RC etching observation of (111) plane,
Inside the substrate, S pits caused by dislocation loops having a diameter of about 5 μm or less were observed at a high density of about 500,000 / cm −2 . In this case, the density D per unit volume of atoms on the dislocation loop surface forming the S pit defect is 2.7 × 10 18 cm −3 .

【0098】上記基板を用いて、次のようにして基板を
n層とする純緑色 LEDを液相エピ成長法により作製し
た。基板の表面層を王水で約15μm エッチング除去した
後、液相エピ成長炉中で、i-GaP 層を5μm 、続いてp-
GaP 層を30μm 成長させた。このようにして得られたエ
ピ基板から、実施例6の場合と同様の方法により、 LED
チップを作製した。
Using the above substrate, a pure green LED using the substrate as an n-layer was manufactured by a liquid phase epitaxy method as follows. After the surface layer of the substrate was removed by etching with aqua regia about 15 μm, the i-GaP layer was removed to a thickness of 5 μm and then p-
A GaP layer was grown to 30 μm. From the epi-substrate thus obtained, the same method as in Example 6
A chip was prepared.

【0099】上記 LEDチップの発光輝度を測定した。こ
の実施例に係る LEDチップは、市販の LEC基板上にエピ
タキシャル成長工程によって作製された窒素ドープp-Ga
P/n-GaP/i-GaP/n-GaP 基板構造を持つ純緑色LED チップ
と比較し、20mAの電流下において555nm 発光輝度が20%
高かった。
The emission luminance of the LED chip was measured. The LED chip according to this example is a nitrogen-doped p-Ga produced by an epitaxial growth process on a commercially available LEC substrate.
Compared to pure green LED chip with P / n-GaP / i-GaP / n-GaP substrate structure, 555nm emission luminance is 20% under 20mA current
it was high.

【0100】(実施例9)液相エピ成長炉中に NH3ガス
を流し、エピ成長を NH3雰囲気で行った。この点を除
き、実施例8の場合と同様の方法により、純緑色 LEDチ
ップを作製した。そして、この LEDチップの発光輝度を
測定した。この LEDチップは、市販の LEC基板上にエピ
タキシャル成長工程によって作製されたp-GaP/n-GaP/i-
GaP/n-GaP 基板構造(Nドープ)の純緑色LED チップと
比較し、20mAの電流下において565nm発光輝度が25%高
かった。
Example 9 An epitaxy was performed in an NH 3 atmosphere by flowing NH 3 gas into a liquid phase epitaxy furnace. Except for this point, a pure green LED chip was manufactured in the same manner as in Example 8. Then, the emission luminance of the LED chip was measured. This LED chip is a p-GaP / n-GaP / i-
Compared to a pure green LED chip with a GaP / n-GaP substrate structure (N-doped), the emission luminance at 565 nm was 25% higher under a current of 20 mA.

【0101】(実施例10)基板表面の転位密度が10c
m-2、Sピット密度が 800cm-2(転位ループ密度:400cm
-2)であり、その下方に、Sピット欠陥を形成する転位
ループ面の原子の単位体積当たりの密度Dが1×1016cm
-3である高Sピット欠陥層(高転位ループ密度層)を10
0 μm 厚さで形成させた厚さ300 μm のGaP 基板を用い
て、実施例9の場合と同様の方法により、純緑色 LEDチ
ップを作製した。そして、この LEDチップの発光輝度を
測定した。この LEDチップは、市販の LEC基板上にエピ
タキシャル成長工程によって作製されたp-GaP/n-GaP/i-
GaP/n-GaP 基板構造(Nドープ)の緑色LED チップと比
較し、20mAの電流下において565nm 発光輝度がほぼ同等
であった。
(Example 10) The dislocation density on the substrate surface was 10c.
m -2 , S pit density is 800cm -2 (dislocation loop density: 400cm
-2 ), below which the density D per unit volume of atoms on the dislocation loop surface forming S-pit defects is 1 × 10 16 cm.
-3 high S pit defect layer (high dislocation loop density layer)
Using a 300 μm thick GaP substrate formed with a thickness of 0 μm, a pure green LED chip was manufactured in the same manner as in Example 9. Then, the emission luminance of the LED chip was measured. This LED chip is a p-GaP / n-GaP / i-
Compared with a green LED chip having a GaP / n-GaP substrate structure (N-doped), the emission luminance at 565 nm was almost equal under a current of 20 mA.

【0102】(比較例3)実施例8における熱処理条件
の中の熱処理時間を20時間とし、この点を除き実施例8
の場合と同様の熱処理を行い、基板表面近傍に110 μm
厚さの高純度低欠陥層が形成されたGaP 基板を得た。こ
のGaP 基板を用いて、実施例7の場合と同様の方法によ
り、純緑 LEDチップを作製した。そして、この LEDチッ
プの発光輝度を測定した。この LEDチップは、実施例7
に係る LEDチップの場合に比較し、45%程度の輝度しか
得られなかった。
(Comparative Example 3) The heat treatment time in the heat treatment conditions in Example 8 was set to 20 hours.
Perform the same heat treatment as in
A GaP substrate on which a high-purity low-defect layer having a thickness was formed was obtained. Using this GaP substrate, a pure green LED chip was manufactured in the same manner as in Example 7. Then, the emission luminance of the LED chip was measured. This LED chip is used in Example 7
As compared with the case of the LED chip according to the above, only a brightness of about 45% was obtained.

【0103】(比較例4)実施例6における熱処理条件
の中の熱処理温度を1000℃とし、この点を除き実施例6
の場合と同様の熱処理を行い、基板表面近傍に18μm 厚
さの高純度低欠陥層が形成されたGaP 基板を得た。この
GaP 基板を用いて、実施例7の場合と同様の方法によ
り、純緑 LEDチップを作製した。そして、この LEDチッ
プの発光輝度を測定した。この LEDチップは、実施例7
に係る LEDチップの場合に比較し、40%程度の輝度しか
得られなかった。
Comparative Example 4 The heat treatment temperature in the heat treatment conditions in Example 6 was set to 1000 ° C., except for this point.
The same heat treatment as in the case was performed to obtain a GaP substrate having a high-purity low-defect layer having a thickness of 18 μm formed near the substrate surface. this
Using a GaP substrate, a pure green LED chip was manufactured in the same manner as in Example 7. Then, the emission luminance of the LED chip was measured. This LED chip is used in Example 7
Only about 40% of the brightness was obtained as compared with the case of the LED chip according to the above.

【0104】(比較例5)実施例6における熱処理条件
の中の熱処理温度を1080℃とし、この点を除き実施例6
の場合と同様の熱処理を行い、基板表面近傍に60μm 厚
さの高純度低欠陥層が形成されたGaP 基板を得た。この
GaP 基板を用いて、実施例7の場合と同様の方法によ
り、純緑 LEDチップを作製した。そして、この LEDチッ
プの発光輝度を測定した。この LEDチップは、実施例7
に係る LEDチップの場合に比較し、65%程度の輝度しか
得られなかった。
(Comparative Example 5) The heat treatment temperature in the heat treatment conditions in Example 6 was set to 1080 ° C.
The same heat treatment as in the case was performed to obtain a GaP substrate having a high-purity low-defect layer having a thickness of 60 μm formed near the substrate surface. this
Using a GaP substrate, a pure green LED chip was manufactured in the same manner as in Example 7. Then, the emission luminance of the LED chip was measured. This LED chip is used in Example 7
As compared with the case of the LED chip according to the above, only a luminance of about 65% was obtained.

【0105】(比較例6)基板表面の転位密度が10c
m-2、Sピット密度が 800cm-2(転位ループ密度:400cm
-2)であり、その下方に、Sピット欠陥を形成する転位
ループ面の原子の単位体積当たりの密度Dが 0.5×1016
cm-3である高Sピット欠陥層(高転位ループ密度層)を
120 μm 厚さで形成させた厚さ300 μm のGaP 基板を用
いて、実施例9の場合と同様の方法により LEDチップを
作製した。そして、この LEDチップの発光輝度を測定し
た。この LEDチップと、市販の LEC基板上にエピタキシ
ャル成長工程によって作製されたp-GaP/n-GaP/i-GaP/n-
GaP 基板構造(Nドープ)の緑色LED チップとを、20mA
の電流下で、565nm 発光輝度を比較すると、この比較例
6に係る LEDチップは後者のLED チップの70%程度の輝
度しか得られなかった。
(Comparative Example 6) The dislocation density on the substrate surface was 10c
m -2 , S pit density is 800cm -2 (dislocation loop density: 400cm
-2 ), below which the density D per unit volume of the atoms of the dislocation loop surface forming the S pit defect is 0.5 × 10 16
cm -3 high S pit defect layer (high dislocation loop density layer)
Using a 300 μm thick GaP substrate formed with a thickness of 120 μm, an LED chip was fabricated in the same manner as in Example 9. Then, the emission luminance of the LED chip was measured. This LED chip and p-GaP / n-GaP / i-GaP / n-
20mA with GaP substrate structure (N-doped) green LED chip
Comparing the emission luminance at 565 nm under the current of the above, the LED chip according to Comparative Example 6 obtained only about 70% of the luminance of the latter LED chip.

【0106】[0106]

【発明の効果】本発明に係る GaP単結晶基板は、転位密
度が極めて低く、且つ、転位ループ密度が極めて低い表
面(低欠陥層)を有することに起因して、従来にない転
位密度が極めて低くて発光効率が大きい GaPエピ層(エ
ピタキシャル成長層)を歩留り良く得ることができ、Ga
P 純緑色LED (可視発光ダイオード)の大幅な高輝度化
及び高歩留り化がはかれるようになるという作用効果を
奏する。
The GaP single crystal substrate according to the present invention has an extremely low dislocation density and a surface (low defect layer) having an extremely low dislocation loop density. A GaP epilayer (epitaxially grown layer) having a low and high luminous efficiency can be obtained with good yield.
P Pure green LED (visible light emitting diode) has the effect of greatly increasing the brightness and yield.

【0107】さらに、上記低欠陥層の下方に転位ループ
密度の高い層を形成し得、この場合には、上記低欠陥層
を純度及び結晶性に極めて優れた高純度低欠陥層にし
得、ひいては、この高純度低欠陥層を活性層(発光層)
とし得、又、この高純度低欠陥層の上にエピ成長層を設
けて活性層とする場合には、このエピ層を薄くすること
ができるという作用効果を奏する。
Further, a layer having a high dislocation loop density can be formed below the low defect layer. In this case, the low defect layer can be a high purity low defect layer having extremely excellent purity and crystallinity. The high-purity low-defect layer is used as an active layer (light-emitting layer).
When an active layer is formed by providing an epi-growth layer on the high-purity low-defect layer, the effect of reducing the thickness of the epi layer can be obtained.

【0108】本発明に係る GaP単結晶基板の製造方法
は、上記の如き顕著な作用効果を奏する本発明に係る G
aP単結晶基板を熱処理という簡便な方法により得ること
ができるという作用効果を奏する。
The method of manufacturing a GaP single crystal substrate according to the present invention provides the G
There is an effect that an aP single crystal substrate can be obtained by a simple method of heat treatment.

【0109】本発明に係るGaP-LED の製造方法は、上記
の如き高純度低欠陥層を有する基板を用いるものである
ので、この高純度低欠陥層を活性層とし得、又、この高
純度低欠陥層の上にエピ成長層を設けて活性層とする場
合には、このエピ層を薄くすることができ、このため、
GaP-LED 製造工程において生産性の劣るエピ成長工程が
不要な工程あるいはエピ成長工程数を従来より減少させ
た工程によりGaP-LEDを製造し得、それによりGaP-LED
製造コストの低減をはかることができ、コスト低減をは
かりつつ、従来と同等もしくはそれ以上の性能のGaP-LE
D を得ることができるという作用効果を奏する。
Since the method of manufacturing a GaP-LED according to the present invention uses a substrate having a high-purity low-defect layer as described above, this high-purity low-defect layer can be used as an active layer. When an epi growth layer is provided on the low defect layer to form an active layer, the epi layer can be made thinner.
The GaP-LED manufacturing process can manufacture a GaP-LED by a process that does not require an epi-growth process with inferior productivity or a process that reduces the number of epi-growth processes compared to the conventional process.
A GaP-LE with the same or better performance as before, while reducing manufacturing costs.
It has the effect of being able to obtain D.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明の実施例に係るGaP 単結晶基板の熱処
理温度と低欠陥層厚との関係を示す図である。
FIG. 1 is a diagram showing a relationship between a heat treatment temperature and a low defect layer thickness of a GaP single crystal substrate according to an example of the present invention.

【図2】 本発明の実施例に係るGaP 単結晶基板の熱処
理時のPP4(P蒸気圧)と低欠陥層厚との関係を示す図
である。
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between P P4 (P vapor pressure) and a low defect layer thickness during heat treatment of a GaP single crystal substrate according to an example of the present invention.

【図3】 GaP 単結晶基板のエッチング面の顕微鏡写真
を示す図面代用写真である。
FIG. 3 is a drawing substitute photograph showing a micrograph of an etched surface of a GaP single crystal substrate.

【図4】 GaP 単結晶基板のエッチング面の顕微鏡写真
を示す図面代用写真である。
FIG. 4 is a drawing substitute photograph showing a micrograph of an etched surface of a GaP single crystal substrate.

【図5】 GaP 単結晶基板のエッチング面の顕微鏡写真
を示す図面代用写真である。
FIG. 5 is a drawing substitute photograph showing a micrograph of an etched surface of a GaP single crystal substrate.

フロントページの続き (72)発明者 大元 誠一郎 兵庫県神戸市西区高塚台1丁目5番5号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 Fターム(参考) 4G077 AA03 BE43 CD10 FC04 FC05 FE02 5F041 AA03 AA40 CA23 CA37 CA63 CA73 CA74 Continued on the front page (72) Inventor Seiichiro Omoto 1-5-5 Takatsukadai, Nishi-ku, Kobe-shi, Hyogo F-term in Kobe Steel, Ltd. Kobe Research Institute (reference) 4G077 AA03 BE43 CD10 FC04 FC05 FE02 5F041 AA03 AA40 CA23 CA37 CA63 CA73 CA74

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 転位密度が 500cm-2以下であり、且つ、
転位ループの密度が500 cm-2以下である表面を有するこ
とを特徴とするGaP単結晶基板。
Claims: 1. A dislocation density of 500 cm -2 or less, and
A GaP single crystal substrate having a surface having a dislocation loop density of 500 cm -2 or less.
【請求項2】 転位密度が 500cm-2以下であり、且つ、
転位ループの密度が500 cm-2以下である層が基板表面か
ら5μm 以上の厚みで形成されていることを特徴とする
GaP単結晶基板。
2. A dislocation density of 500 cm -2 or less, and
A GaP single crystal substrate, wherein a layer having a dislocation loop density of 500 cm -2 or less is formed with a thickness of 5 µm or more from the substrate surface.
【請求項3】 転位密度が 500cm-2以下であり、且つ、
転位ループの密度が500 cm-2以下である層が基板表面に
形成され、その下方に層内の転位ループ内の原子の数が
単位体積当たり106 cm-3以上である層が形成されている
ことを特徴とするGaP単結晶基板。
3. A dislocation density of 500 cm -2 or less, and
Layer density of dislocation loops is 500 cm -2 or less is formed on the substrate surface, the layer number is the unit volume per 10 6 cm -3 or more atoms in the dislocation loops of intra-layer thereunder is formed A GaP single crystal substrate.
【請求項4】 前記転位密度が 500cm-2以下であり、且
つ、転位ループの密度が500 cm-2以下である層の厚さを
Ld、前記転位ループ内の原子の数が単位体積当たり106
cm-3以上である層の厚さをLsとしたとき、Ldが基板表面
から65μm 以上であると共に、LdとLsの関係がLd≦Lsで
あることを特徴とする請求項3記載のGaP単結晶基
板。
4. A layer having a dislocation density of 500 cm -2 or less and a dislocation loop density of 500 cm -2 or less.
Ld, the number of atoms in the dislocation loop is 10 6 per unit volume
4. The GaP single cell according to claim 3, wherein, when the thickness of the layer that is not less than cm -3 is Ls, Ld is not less than 65 μm from the substrate surface, and the relationship between Ld and Ls is Ld ≦ Ls. Crystal substrate.
【請求項5】 基板表面の転位密度が 500cm-2以下であ
るGaP単結晶基板を、850 〜1200℃で熱処理すること
によるGaP単結晶基板の製造方法。
5. A method for manufacturing a GaP single crystal substrate by heat-treating a GaP single crystal substrate having a dislocation density of 500 cm −2 or less on a substrate surface at 850 to 1200 ° C.
【請求項6】 熱処理温度におけるGaPの平衡リン蒸
気圧をPeqとしたとき、熱処理をPeq以下のリン蒸気圧
雰囲気下で行う請求項5記載のGaP単結晶基板の製造
方法。
6. The method of manufacturing a GaP single-crystal substrate according to claim 5, wherein the heat treatment is performed in an atmosphere of phosphorus vapor pressure equal to or lower than P eq when an equilibrium phosphorus vapor pressure of GaP at the heat treatment temperature is P eq .
【請求項7】 前記基板表面の転位密度が 500cm-2以下
であるGaP単結晶基板が垂直ブリッジマン法によって
作製されている請求項5又は6記載のGaP単結晶基板
の製造方法。
7. The method of manufacturing a GaP single crystal substrate according to claim 5, wherein the GaP single crystal substrate having a dislocation density of 500 cm −2 or less on the substrate surface is manufactured by a vertical Bridgman method.
【請求項8】 n型もしくはp型ドーパントをドープし
た請求項3又は4記載のGaP単結晶基板の表面にアク
セプタ性もしくはドナー性の元素を拡散処理することに
より、pn接合を形成することを特徴とするGaP発光
ダイオードの製造方法。
8. A pn junction is formed by subjecting a surface of the GaP single crystal substrate according to claim 3 or 4 doped with an n-type or p-type dopant to an acceptor or donor element by diffusion treatment. A method of manufacturing a GaP light emitting diode.
【請求項9】 前記拡散処理をNH3 雰囲気で行う請求項
8記載のGaP発光ダイオードの製造方法。
9. The method according to claim 8, wherein the diffusion process is performed in an NH 3 atmosphere.
【請求項10】 n型もしくはp型ドーパントをドープ
した請求項3又は4記載のGaP単結晶基板の表面にエ
ピタキシャル成長によりpn接合を形成することを特徴
とするGaP発光ダイオードの製造方法。
10. A method of manufacturing a GaP light-emitting diode according to claim 3, wherein a pn junction is formed by epitaxial growth on the surface of the GaP single crystal substrate doped with an n-type or p-type dopant.
【請求項11】 前記エピタキシャル成長を NH3雰囲気
で行う請求項10記載のGaP発光ダイオードの製造方
法。
11. The method according to claim 10, wherein the epitaxial growth is performed in an NH 3 atmosphere.
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