JP2002280605A - ｎ型ＧａＰ単結晶基板、その製造方法、ＧａＰ緑色系発光ダイオード用エピタキシャル基板およびＧａＰ緑色系発光ダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高輝度で、かつ低い順方向電圧で駆動可能な緑
色系発光ダイオードを作製するために好適に用いること
ができるｎ型ＧａＰ単結晶基板とその製造方法を提供す
る。 【解決手段】ｎ型のドーパントとしてＳｉとＴｅが同時
にドープされたｎ型ＧａＰ単結晶基板において、該ｎ型
ＧａＰ単結晶基板中のＳｉ濃度とＴｅ濃度の和を２×１
０¹⁷ｃｍ^-3以上２×１０^{1 8}ｃｍ^-3以下とし、かつＳｉ濃
度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以上８×１０¹⁷ｃｍ^-3以下とし、
かつＴｅ濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上２×１０¹⁸ｃｍ^-3
以下とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＧａＰ緑色系発光ダ
イオード用エピタキシャル基板に使用されるｎ型ＧａＰ
単結晶基板とその製造方法に関するものであり、特に高
輝度で、かつ低い順方向電圧で駆動可能なＧａＰ緑色系
発光ダイオードを作製するために好適に用いられるｎ型
ＧａＰ単結晶基板に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＰは緑色に対応するバンドギャップ
（約２．２６ｅＶ）を持つ化合物半導体であり、主に緑
色の発光ダイオード（ＬＥＤ）の材料として用いられて
いる。

【０００３】ＧａＰは間接遷移型の結晶であるため内部
量子効率が低く、原理的に輝度が低い。これを改善する
方法として、発光層（通常はｐｎ接合を形成するｎ層）
に窒素（Ｎ）を発光中心としてドープすると輝度が飛躍
的に向上することが発見され、実用化に至っている。Ｎ
の形成する準位は伝導帯から約７ｍｅＶ下にあるため、
このＮをドープしたＬＥＤの発光波長は５６５〜５７０
ｎｍとなり、色としては黄緑色になる（黄緑色ＬＥ
Ｄ）。

【０００４】また、基板と発光層の間にバッファ層を積
層することにより、ＧａＰ単結晶基板からその上にエピ
タキシャル成長させたｐｎ接合構造の発光層へ伝搬する
結晶欠陥を低減する技術や、ＧａＰ層のエピタキシャル
成長中に主にリン（Ｐ）の脱離でＧａＰ層中に発生する
結晶欠陥をエピタキシャル成長雰囲気中のＰ分圧を制御
して低減する技術などの開発により、発光中心をドープ
しない緑色のＬＥＤについても高輝度化が実現された。
このＬＥＤはＮのような発光中心を用いないので、輝度
は黄緑色ＬＥＤよりも低いが、発光波長は約５５５ｎｍ
であり、色としては純緑色になる（純緑色ＬＥＤ）。

【０００５】これら黄緑色ＬＥＤと純緑色ＬＥＤをあわ
せて、ＧａＰ緑色系発光ダイオード（ＧａＰ緑色系ＬＥ
Ｄ）と呼ぶ。以下にＧａＰ緑色系ＬＥＤについて図を用
いてさらに詳細に説明する。

【０００６】黄緑色ＬＥＤの一般的な構造の概略を図１
に示す。まず、ｎ型ＧａＰ単結晶基板１の上に、必要に
応じてｎ型ＧａＰバッファ層２を成長する。ｎ型ＧａＰ
バッファ層２は、成長させなくともかまわないが、一般
に、成長させた方がその上に形成するＧａＰ層の結晶性
は向上し、より高輝度のＬＥＤが得られる。ｎ型ＧａＰ
バッファ層２は複数の層を積層しても良い。次に、その
上に、ｎ型ＧａＰエピタキシャル層３、Ｎをドープした
ｎ型ＧａＰエピタキシャル層４、およびｐ型ＧａＰエピ
タキシャル層５を順次成長させる。

【０００７】純緑色ＬＥＤの一般的な構造の概略を図２
に示す。まずｎ型ＧａＰ単結晶基板６の上に、必要に応
じてｎ型ＧａＰバッファ層７を成長させる。黄緑色ＬＥ
Ｄの場合と同様、ｎ型ＧａＰバッファ層７は、成長させ
なくともかまわないが、一般に、成長させた方がその上
に形成するＧａＰ層の結晶性は向上し、より高輝度のＬ
ＥＤが得られる。ｎ型ＧａＰバッファ層７は複数の層を
積層しても良い。次に、その上に、Ｎをドープしないｎ
型ＧａＰエピタキシャル層８，およびｐ型ＧａＰエピタ
キシャル層９を順次成長させる。

【０００８】このようにＧａＰ単結晶基板上にＧａＰエ
ピタキシャル層を積層した基板を本明細書ではエピタキ
シャル基板と呼ぶ。上記のようにして作製したＬＥＤ用
エピタキシャル基板のｎ型の表面とｐ型の表面にそれぞ
れＡｕＧｅ、ＡｕＢｅ等の電極用金属薄膜を蒸着し、熱
処理によりこれらの電極用金属薄膜材料とエピタキシャ
ル基板を合金化する。さらに、フォトリソグラフィーに
よりｎ電極、ｐ電極を形成して、ダイシングによりＬＥ
Ｄに分離する。

【０００９】これらのＬＥＤ用エピタキシャル基板は、
通常液体封止チョクラルスキー法（ＬＥＣ法）で育成し
たＧａＰ単結晶インゴットを切断、研磨して作製される
ＧａＰ単結晶基板を使用して製造される。また、ｎ型Ｇ
ａＰ単結晶基板のドーパントとしてはＳ、Ｓｉ、及びＴ
ｅが一般的に用いられている。これらのドーパントのう
ち特にＳは、特開平１１−９７７４０号公報に示されて
いるように、前述の黄緑色ＬＥＤの輝度を低下させる原
因となるので、エピタキシャル層が基板起因のＳで汚染
されることを回避するために、ＧａＰ緑色系発光ダイオ
ード用エピタキシャル基板の作製には使用されていな
い。

【００１０】また上記のエピタキシャル層は、主に液相
エピタキシャル成長法により製造されている。液相エピ
タキシャル法は、結晶性の良い高品質なエピタキシャル
層を大量に安価に製造することができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにして作製
されるＧａＰ緑色系ＬＥＤ用エピタキシャル基板及び発
光ダイオードは、市場の高輝度化への要求に対応するた
めに、前述のようなエピタキシャル層構造の最適化や液
相エピタキシャル成長方法の改良により特性向上を図っ
てきた。

【００１２】これに加えて、エピタキシャル基板に用い
るＧａＰ単結晶基板についても特性改善が図られてき
た。ＧａＰ単結晶基板の特性改善の指標としては、結晶
欠陥に対応するＥＰＤ（エッチピット密度）の低減とキ
ャリヤ濃度の最適化の２つがある。このうち、ＥＰＤ低
減のためにはＧａＰ単結晶インゴットの育成技術の改良
が検討されているが本発明の目的とは離れるので詳細は
省略する。

【００１３】一方ＧａＰ単結晶基板のキャリヤ濃度につ
いては、ＧａＰ単結晶基板のキャリヤ濃度は低い方が基
板による発光の吸収が小さくなるので、ＬＥＤの高輝度
化のためには有効であるが、同時に基板のキャリヤ濃度
が低いと基板自身の電気抵抗が上昇する。そのためＬＥ
Ｄを作製した場合、基板のキャリヤ濃度が低いと電極と
結晶間の接触抵抗と基板のバルク抵抗が上昇し、ＬＥＤ
に定格電流を流すために必要な順方向電圧（ＶＦ）の値
が大きくなるためＬＥＤの寿命特性が低下するという性
質がある。反対に、ＧａＰ単結晶基板のキャリヤ濃度が
高いとＬＥＤのＶＦは低減できるが、基板による発光の
吸収によりＬＥＤの輝度が低下する。

【００１４】このようにＧａＰ単結晶基板のキャリヤ濃
度に関してＬＥＤの輝度とＶＦにはトレードオフの関係
がある。従って、基板のキャリヤ濃度には最適範囲があ
り、従来一般にはキャリア濃度が１〜２０×１０¹⁷ｃｍ
^-3程度のＧａＰ単結晶基板が、ＧａＰ緑色系ＬＥＤ用エ
ピタキシャル基板の作製に利用されていた。

【００１５】ところが、近年、ＬＥＤの小サイズ化、消
費電力低減の要求が高まっており、高輝度であり、かつ
低ＶＦのＬＥＤが求められている。前記のように、Ｇａ
Ｐ単結晶基板のキャリヤ濃度に対する輝度とＶＦの関係
はトレードオフにあるため、この市場要求に応じるため
にはＧａＰ単結晶基板のキャリヤ濃度の最適範囲をＬＥ
Ｄの輝度、ＶＦの目標値に合わせて変更する必要があ
る。

【００１６】即ち、輝度向上のためにキャリヤ濃度の上
限値を下げ、低ＶＦ化のためにキャリヤ濃度の下限値を
上げる必要があり、その結果として新たに求められる最
適キャリヤ濃度範囲は従来と比較して狭くなる。

【００１７】ところが、ＧａＰ単結晶基板のキャリヤ濃
度の最適範囲を狭めると、Ｔｅドープのｎ型ＧａＰ単結
晶インゴットからＧａＰ単結晶基板を作製する場合、一
本のインゴットの中でキャリヤ濃度が新たな最適範囲か
らはずれてＬＥＤ用の基板として使用できない領域が増
加する。そのため、一本のインゴットからの製造できる
基板の枚数が少なくなる結果、基板のコストアップにつ
ながる。

【００１８】一方、Ｓｉドープのｎ型ＧａＰ単結晶イン
ゴットの場合は、インゴット内のキャリヤ濃度変化はＴ
ｅドープの場合と比較すると小さい。しかし、このイン
ゴットを用いてキャリヤ濃度を限定したＳｉドープのＧ
ａＰ単結晶基板を作製し、ＧａＰエピタキシャル層を積
層してＬＥＤを作製してもＶＦがばらつくという不具合
があった。

【００１９】そこで本発明の目的は、高輝度で、かつ低
い順方向電圧で駆動可能な緑色系発光ダイオードを作製
するために好適に用いることができるｎ型ＧａＰ単結晶
基板とその製造方法を提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明は、（１）ｎ型の
ドーパントとしてＳｉとＴｅが同時にドープされたｎ型
ＧａＰ単結晶基板において、該ｎ型ＧａＰ単結晶基板中
のＳｉ濃度とＴｅ濃度の和が２×１０¹⁷ｃｍ^-3以上２×
１０^{1 8}ｃｍ^-3以下であり、かつＳｉ濃度が２×１０¹⁶ｃ
ｍ^-3以上８×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、かつＴｅ濃度が
１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であること
を特徴とするｎ型ＧａＰ単結晶基板である。

【００２１】（２）（１）に記載のｎ型ＧａＰ単結晶基
板は、ｎ型キャリヤ濃度が１．５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１
０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることが好ましい。

【００２２】（３）特に（１）に記載のｎ型ＧａＰ単結
晶基板は、ｎ型キャリヤ濃度が２×１０¹⁷ｃｍ^-3以上８
×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることが好ましい。

【００２３】（４）（１）乃至（３）に記載のｎ型Ｇａ
Ｐ単結晶基板は、液体封止チョクラルスキー法により育
成されたｎ型ＧａＰ単結晶インゴットから作製されたも
のであることが好ましい。

【００２４】また本発明は、（５）（１）乃至（４）に
記載のｎ型ＧａＰ単結晶基板を用いて作製したＧａＰ緑
色系発光ダイオード用エピタキシャル基板である。

【００２５】また本発明は、（６）（５）に記載のエピ
タキシャル基板から作製されたＧａＰ緑色系発光ダイオ
ードである。

【００２６】また本発明は、（７）ｎ型のドーパントと
してＳｉとＴｅを同時にドープしてｎ型ＧａＰ単結晶イ
ンゴットを育成し該インゴットからｎ型ＧａＰ単結晶基
板を作製するｎ型ＧａＰ単結晶基板の製造方法におい
て、ｎ型ＧａＰ単結晶基板中のＳｉ濃度とＴｅ濃度の和
を２×１０¹⁷ｃｍ^-3以上２×１０^{1 8}ｃｍ^-3以下とし、か
つＳｉ濃度を２×１０¹⁶ｃｍ^-3以上８×１０¹⁷ｃｍ^-3以
下とし、かつＴｅ濃度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上２×１０
¹⁸ｃｍ^-3以下とするように、ＧａＰ単結晶インゴットの
原料にＳｉとＴｅを添加することを特徴とするｎ型Ｇａ
Ｐ単結晶基板の製造方法である。

【００２７】（８）（７）に記載のｎ型ＧａＰ単結晶基
板のキャリヤ濃度は１．５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１０×１
０¹⁷ｃｍ^-3以下とすることが好ましい。

【００２８】（９）特に（７）に記載のｎ型ＧａＰ単結
晶基板のキャリヤ濃度は２×１０¹⁷ｃｍ^-3以上８×１０
¹⁷ｃｍ^-3以下とすることが好ましい。

【００２９】（１０）（７）乃至（９）に記載のｎ型Ｇ
ａＰ単結晶基板の製造方法は、液体封止チョクラルスキ
ー法によりｎ型ＧａＰ単結晶インゴットを育成すること
が好ましい。

【００３０】

【発明の実施の形態】ＧａＰ緑色系発光ダイオードに対
する高輝度化かつ低ＶＦ化の市場要求に応えるためのＧ
ａＰ単結晶基板のキャリヤ濃度の最適範囲を、ｎ型Ｇａ
Ｐ単結晶基板を用いて実験的に求めたところ、最適キャ
リヤ濃度範囲は１．５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１０×１０¹⁷
ｃｍ^-3以下、さらに好ましくは２×１０¹⁷ｃｍ^-3以上８
×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることがわかった。Ｔｅドープ
のＧａＰインゴットの場合、従来の最適キャリヤ濃度範
囲である１．０〜２０×１０¹⁷ｃｍ^-3に対しては単結晶
領域の９５％以上がその範囲に入っていたが、新たな最
適キャリヤ濃度範囲である１．５〜１０×１０¹⁷ｃｍ^-3
を採用すると、その範囲に入るインゴットの単結晶領域
の割合（合格率）は７０％に低下した。

【００３１】インゴット育成時のＴｅの添加条件を種々
検討しても、新たな最適キャリア濃度範囲である１．５
〜１０×１０¹⁷ｃｍ^-3に対してＴｅドープのＧａＰ単結
晶インゴットの合格率は改善できなかった。これはＴｅ
のＧａＰに対する偏析係数が１より小さいので、インゴ
ット内のキャリヤ濃度が単結晶育成開始部分（以下、ト
ップ部）では低く、単結晶育成終了部分（以下ボトム
部）に向かって高くなるためである。従って、Ｔｅドー
プＧａＰ単結晶基板のキャリヤ濃度を前記の最適範囲に
限定すると、一本のインゴット内でキャリヤ濃度の規格
をはずれる領域が大きくなり、基板収率が低下してＧａ
Ｐ単結晶基板のコストアップになる。

【００３２】一方ＳｉをドーパントとするＧａＰ単結晶
インゴットの場合、インゴット内のキャリヤ濃度はトッ
プ部からボトム部に向かって減少するが、その変化率は
Ｔｅドープのインゴットの場合よりも小さいので、新た
に定めた最適キャリヤ濃度範囲に適合した基板を単結晶
インゴットからの基板収率低下を招かずに育成すること
ができる。

【００３３】しかし、実際にＳｉドープのＧａＰ単結晶
基板を用いてその上にエピタキシャル層を成長し、Ｇａ
Ｐ緑色系ＬＥＤを作製したところ、同じキャリヤ濃度の
基板を使用してもＬＥＤのＶＦがばらつき、ＶＦの規格
値を超えるものが発生した。この現象はインゴットにド
ープするＳｉの添加量を増量してキャリヤ濃度を前記の
実験で求めた最適値の上限付近に設定しても発生した。
さらにＳｉ添加量を上げると作製したＬＥＤの輝度も低
下した。

【００３４】この原因について調査した結果、Ｓｉドー
プのＧａＰ単結晶基板におけるキャリアの移動度がイン
ゴットのトップ部からボトム部に向かって減少している
ことがわかった。結晶の抵抗率は結晶のキャリヤ濃度と
キャリアの移動度の積に反比例する。前述のようにＳｉ
ドープＧａＰ単結晶ではインゴット全域のキャリヤ濃度
の変化は小さいが、ボトム部側でキャリアの移動度が減
少しているために抵抗率が上昇し、この単結晶基板を使
用したエピタキシャル基板から作製したＬＥＤのＶＦが
上昇したものと考えられる。

【００３５】ＳｉドープのＧａＰ単結晶インゴットにお
いて、キャリアの移動度がトップ部からボトム部に向か
って減少する原因は、インゴットの育成方向（トップ部
からボトム部）に向かってＳｉの活性化率が低下するこ
と、即ちキャリヤとして寄与しないＳｉがインゴットの
ボトム部側で増加することで、ＧａＰ単結晶の結晶性が
ボトム部側で悪化するためと推測される。Ｓｉ添加量を
増量するとこの傾向が更に高まるため、輝度も低下する
ものと考えられる。

【００３６】尚、ＴｅドープのＧａＰ単結晶インゴット
についても同様にボトム部側で移動度が減少している
が、減少の割合はＳｉドープのインゴットの場合よりも
小さく、またＴｅドープのＧａＰ単結晶インゴットで
は、前述のようにボトム部側でキャリヤ濃度も同時に上
昇しているため抵抗率はあまり上昇しない。

【００３７】以上の知見から、ＧａＰ単結晶インゴット
のキャリヤ濃度をインゴットの広い領域で最適範囲に制
御し、高輝度で順方向電圧の低い発光ダイオードを作製
するためのＧａＰ単結晶基板を収率良く製造すること
は、単独のドーパントを用いてｎ型ＧａＰ単結晶インゴ
ットを育成する方法では困難であると考えられる。そこ
で本発明者は、ＳｉとＴｅを同時にＧａＰ単結晶インゴ
ットの原料に添加してインゴットを育成することによ
り、前述のＴｅやＳｉを単独でドープしたＧａＰ単結晶
基板の欠点を補償する方法について検討した。

【００３８】即ち本発明者は、インゴットに同時にドー
プするＴｅとＳｉの添加量を調整して、ＧａＰ単結晶イ
ンゴットの全単結晶領域でキャリヤ濃度を最適範囲内に
納める条件を検討した。また、前述のようにＴｅやＳｉ
は共に、結晶へのドープ量が増加すると結晶内での活性
化率が減少すると考えられるので、ＧａＰ単結晶のキャ
リヤ濃度のみを規定するのではＶＦを制御できない。そ
のためＧａＰ単結晶基板内に実際に取り込まれたＳｉと
Ｔｅの濃度についても最適範囲を検討した。

【００３９】本発明者は以上の方針で、ｎ型ＧａＰ単結
晶のインゴット育成の際にドープするＳｉおよびＴｅの
添加量を検討し、ｎ型ＧａＰ単結晶基板中のＳｉ濃度と
Ｔｅ濃度を最適化することにより本発明に至った。本発
明では、ｎ型のドーパントとしてＳｉとＴｅが同時にド
ープされたｎ型ＧａＰ単結晶基板において、ｎ型ＧａＰ
単結晶基板中のＳｉ濃度とＴｅ濃度の和が２×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3以上２×１０^{1 8}ｃｍ ^-3以下とする。

【００４０】ｎ型ＧａＰ単結晶基板中のＳｉ濃度とＴｅ
濃度の和が２×１０¹⁷ｃｍ^-3より小さいと、この基板を
用いて作製した前記ＧａＰ緑色系発光ダイオードのＶＦ
が上昇するため好ましくない。また、ｎ型ＧａＰ単結晶
基板中のＳｉ濃度とＴｅ濃度の和が２×１０^{1 8}ｃｍ^-3よ
り大きいとこの基板を用いて作製した前記ＧａＰ緑色系
発光ダイオードの輝度が低下するため好ましくない。

【００４１】さらに本発明では、Ｓｉ濃度とＴｅ濃度の
和が２×１０¹⁷ｃｍ^-3以上２×１０^{1 8}ｃｍ^-3以下とする
と同時に、ｎ型ＧａＰ単結晶基板中のＳｉ濃度を２×１
０¹⁶ｃｍ^-3以上８×１０¹⁷ｃｍ^-3以下とする。Ｓｉ濃度
が２×１０¹⁶ｃｍ^-3より小さいと、この基板を用いて作
製した前記ＧａＰ緑色系発光ダイオードのＶＦが上昇す
るため好ましくない。また、Ｓｉ濃度が８×１０¹⁷ｃｍ
^-3より大きいと、この基板を用いて作製した前記ＧａＰ
緑色系発光ダイオードの輝度が低下するため好ましくな
い。

【００４２】さらに本発明では、上記のようにＳｉ濃度
を制御すると同時に、ｎ型ＧａＰ単結晶基板中のＴｅ濃
度を１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とす
る。Ｔｅ濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3より小さいと、この基
板を用いて作製した前記ＧａＰ緑色系発光ダイオードの
ＶＦが上昇するため好ましくない。また、Ｔｅ濃度が２
×１０¹⁸ｃｍ^-3以上であるより大きいと、この基板を用
いて作製した前記ＧａＰ緑色系発光ダイオードの輝度が
低下するため好ましくない。

【００４３】本発明では、ＳｉとＴｅが同時にドープさ
れたｎ型ＧａＰ単結晶基板のキャリヤ濃度範囲を、１．
５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下、さらに
好ましくは２×１０¹⁷ｃｍ^-3以上８×１０¹⁷ｃｍ^-3以下
に制御し、そのＧａＰ単結晶基板を用いてＧａＰ緑色系
発光ダイオード用エピタキシャル基板を作製することに
より、高輝度で、かつ低い順方向電圧で駆動可能なＧａ
Ｐ緑色系発光ダイオードを作製することが出来る。な
お、本発明においてＳｉ濃度やＴｅ濃度あるいはキャリ
ア濃度の測定値の有効数字は大きくて２桁程度であるた
め、３桁目は四捨五入するものとする。例えば、ｎ型Ｇ
ａＰ単結晶基板中のＳｉ濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3、Ｔｅ
濃度が２×１０ ¹⁸ｃｍ^-3の場合、Ｓｉ濃度とＴｅ濃度の
和は計算上２．０２×１０¹⁸ｃｍ^-3となるが、この場合
３桁目は四捨五入してＳｉ濃度とＴｅ濃度の和は２．０
×１０¹⁸ｃｍ^-3とみなす。

【００４４】ＧａＰ単結晶インゴットの育成方法には、
水平式ブリッジマン法や垂直式ブリッジマン法などがあ
るが、本発明では液体封止チョクラルスキー法によりｎ
型ＧａＰ単結晶インゴットを育成するのが好ましい。液
体封止チョクラルスキー法を用いると、結晶性の良いＧ
ａＰ単結晶インゴットを再現良く製造することができる
という利点がある。

【００４５】

【実施例】以下、実施例を示しながら本発明をさらに詳
細に説明する。

【００４６】（実験例１）所定量のＧａＰ多結晶と、Ｇ
ａＰ多結晶１０００ｇに対してＳｉを１００ｍｇ及びＴ
ｅを５００ｍｇの割合で添加したものを原料として、通
常の液体封止チョクラルスキー法によりｎ型ＧａＰ単結
晶インゴットを育成した。育成温度は約１５００℃、育
成圧力は約５０気圧とした。その他の引き上げ条件は、
例えば特公昭５９−１２６４０号に記載されているよう
な公知の方法を用いた。ＧａＰ単結晶インゴットの引き
上げ方位は＜１１１＞方向とした。

【００４７】上記のようにして育成したＧａＰ単結晶イ
ンゴットの単結晶領域を通常の外周研削工程、切断工
程、研磨工程及びエッチング工程により加工し、ｎ型Ｇ
ａＰ単結晶基板を作製した。

【００４８】次に、このｎ型ＧａＰ単結晶基板を用い
て、液相エピタキシャル成長法により、図１に示した黄
緑色ＬＥＤ用エピタキシャル基板を以下のように作製し
た。なお、この黄緑色ＬＥＤ用エピタキシャル基板の作
製には、上記ＧａＰ単結晶インゴットのトップ部からボ
トム部までの間でおよそ等間隔の位置から取り出したｎ
型ＧａＰ単結晶基板を計８枚使用した。

【００４９】まず、このｎ型ＧａＰ単結晶基板１上に通
常の液相エピタキシャル成長法により、ｎ型ＧａＰバッ
ファ層２を成長させた。このｎ型ＧａＰバッファ層２は
Ｓｉドープとし、キャリヤ濃度は４×１０¹⁷ｃｍ^-3、層
厚は１００μｍとした。

【００５０】次いで、公知の横型スライドボートを用い
た方法により、ｎ型ＧａＰバッファ層の上にＧａＰエピ
タキシャル層を成長させた。横型スライドボートの基板
ホルダーに、前記ｎ型ＧａＰバッファ層を成長させた前
記ｎ型ＧａＰ単結晶基板をセットし、溶液溜には成長用
溶液となるＧａメタルを所定量セットした。基板とメタ
ルを分離した状態のまま、このスライドボートをエピタ
キシャル成長炉にセットし、水素気流下で１０００℃ま
で昇温し、基板ホルダーをスライドさせてｎ型ＧａＰバ
ッファ層とＧａメタルを接触させ、１時間保持してＧａ
メタルにｎ型ＧａＰバッファ層の一部を飽和するまで溶
解させた。この時、溶解したｎ型ＧａＰバッファ層にド
ーパントとして含まれるＳｉと、エピタキシャル成長炉
の反応管の石英が水素により還元されることにより発生
したＳｉがＧａメタル中に溶け込む。

【００５１】その後、９６０℃まで冷却してｎ型ＧａＰ
バッファ層上にＳｉドープｎ型ＧａＰエピタキシャル層
を成長させた。次に温度を９６０℃に保持したまま、雰
囲気ガスを水素から所定量のアンモニアガスを添加した
アルゴンガスと水素ガスの混合ガスに切り換える。この
ようにすると、アンモニアガスがＧａメタルと反応して
Ｇａメタル中に窒素（Ｎ）が取り込まれる。その後、９
００℃まで徐冷して、Ｓｉドープｎ型ＧａＰエピタキシ
ャル層上にＮドープのｎ型ＧａＰエピタキシャル層を成
長させた。

【００５２】引き続き、温度を９００℃に保持し、雰囲
気ガスに亜鉛（Ｚｎ）蒸気を供給してＧａ溶液中にＺｎ
を所定量取り込ませた。再び温度を８００℃まで徐冷し
てＮドープのｎ型ＧａＰエピタキシャル層上にＺｎドー
プｐ型ＧａＰエピタキシャル層を成長させた。

【００５３】以上の手順で、ｎ型ＧａＰバッファ層２を
成長させたｎ型ＧａＰ単結晶基板１の上に、Ｓｉドープ
のｎ型ＧａＰエピタキシャル層３、Ｎドープのｎ型Ｇａ
Ｐエピタキシャル層４、Ｚｎドープのｐ型ＧａＰエピタ
キシャル層５を順次積層した。

【００５４】エピタキシャル層の成長がすべて終了した
後、基板ホルダーをスライドさせて成長溶液を分離し、
室温まで冷却してＧａＰ黄緑色ＬＥＤ用エピタキシャル
基板を得た。このエピタキシャル基板の一部を劈開によ
り切断し、測定用断片を作製した。この断片を使ってＣ
Ｖ法によりＧａＰ単結晶基板のキャリヤ濃度を測定し
た。また、ＳＩＭＳ法により同じ断片についてＧａＰ単
結晶基板中のＳｉとＴｅの濃度を測定した。

【００５５】次に、測定用断片を採取した残りのＧａＰ
黄緑色ＬＥＤ用エピタキシャル基板の両面をラップ加工
およびポリッシュ加工した後、ｐ側表面にＡｕ−Ｂｅ合
金を、またｎ側表面にＡｕ−Ｇｅ合金を蒸着し、通常の
フォトリソグラフィーにより電極を形成した。また、Ｇ
ａＰ単結晶基板のＶＦへの影響を評価するため、この段
階で基板側（ｎ側表面）の最近接電極間の電気抵抗（以
下、電極間抵抗（Ｒｎｎ）という）を測定した。

【００５６】前述のように基板のキャリヤ濃度と移動度
が基板のバルク抵抗を支配するので、このＲｎｎの測定
によりＬＥＤのＶＦに対する基板の寄与が評価できる。
ＲｎｎとＶＦには正相関があることがわかっている。そ
のためＶＦを低減する際の目標値に対応するＲｎｎの値
を定め、それと実際の基板のＲｎｎの値と比較すること
により、基板がＶＦを低減するのに十分なキャリヤ濃度
とキャリアの移動度を持っているか否かを判定できる。

【００５７】その後、このＧａＰ黄緑色ＬＥＤ用エピタ
キシャル基板を切断、分離してＧａＰ黄緑色ＬＥＤを得
た。このＬＥＤについて輝度を評価した。輝度は前述の
ＧａＰ黄緑色ＬＥＤ用エピタキシャル基板の一枚につい
てＬＥＤを１００点抽出して測定し、その平均値を代表
値とした。

【００５８】（実験例２、３）上記の実験例１における
ＳｉとＴｅの添加量を変更し、実験例１とＳｉおよびＴ
ｅ濃度の異なるＧａＰ単結晶インゴットを育成した。Ｇ
ａＰ多結晶１ｋｇ当たりに添加するＳｉとＴｅの量は、
以下の表１のようにした。これらのＧａＰ単結晶インゴ
ットを用いて、実験例１と同様の手順でエピタキシャル
基板の製造に用いるｎ型ＧａＰ単結晶基板、ＧａＰ黄緑
色ＬＥＤ用エピタキシャル基板、及びＧａＰ黄緑色ＬＥ
Ｄを順次作製し、輝度およびＲｎｎについて特性測定を
実施した。

【００５９】

【表１】

【００６０】上記の実施例１、２、３で作製したＧａＰ
単結晶基板中のＳｉ濃度、Ｔｅ濃度と、黄緑色ＬＥＤの
電極間抵抗および輝度特性の判定結果の関係を図３に示
す。図３において、実験例１で作製したＬＥＤサンプル
の測定値は○、実験例２で作製したＬＥＤサンプルの測
定値は□と■、実験例３で作製したＬＥＤサンプルの測
定値は△と▲でプロットしてある。○、□、△のマーク
は電極間抵抗、輝度ともに目標レベルを満足している点
を示しており、実験例２の■のマークは輝度が目標レベ
ルを下回るサンプル、実験例３の▲のマークは電極間抵
抗が目標値を上回るサンプルを示している。また、図中
にはＳｉとＴｅ濃度の和が一定の点を結んだ曲線を補助
線として５本、挿入してある。図３でＡ、Ｂ、Ｃの添え
字のある測定点については後述の図４、５で説明する。

【００６１】図３より、実験例１で得られたＬＥＤサン
プルは全ての点が電極間抵抗、輝度のいずれも目標レベ
ルを満足していることがわかる。即ち、実験例１の条件
で作製したＧａＰ単結晶インゴットのどの領域から作製
したＧａＰ単結晶基板を使用しても、輝度および電極間
抵抗が目標特性を満たすＧａＰ黄緑色ＬＥＤを作製する
ことができることがわかる。

【００６２】これに対して、実験例２及び実験例３で作
製されたインゴットからサンプリングした基板を使用し
て黄緑色ＬＥＤを作製した場合、同じインゴットを使用
しても目標とする輝度および電極間抵抗に到達できるＬ
ＥＤサンプルと到達できないサンプルがあることがわか
る。また図３より、Ｓｉ濃度とＴｅ濃度の和が２×１０
¹⁷ｃｍ^-3以上２×１０^{1 8}ｃｍ^-3以下であり、かつＳｉ濃
度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以上８×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であ
り、かつＴｅ濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上２×１０ ¹⁸ｃ
ｍ^-3以下のＧａＰ単結晶基板を使用すると電極間抵抗、
輝度特性がいずれも目標レベルを満足することがわか
る。

【００６３】また、ＧａＰ単結晶基板のキャリヤ濃度と
得られたＬＥＤの輝度の関係を図４に示す。この図のマ
ークは図３と同じである。図４にＡ、Ｂの添え字のある
点（■のマーク）は図３のＡ、Ｂと同じＬＥＤサンプル
の測定値である。これら２点のキャリヤ濃度は８〜９×
１０¹⁷ｃｍ^-3であるが、図３に示したようにＳｉ濃度が
８×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であるために輝度が低下してい
る。従って図４より、輝度についてはキャリヤ濃度が１
０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下、より好ましくは８×１０¹⁷ｃｍ
^-3以下であれば目標レベルを達成できることがわかる。

【００６４】また、ＧａＰ単結晶基板のキャリヤ濃度と
電極間抵抗の関係を図５に示す。この図のマークも図３
と同じである。図５にＣの添え字のある点（▲のマー
ク）は図３のＣと同じＬＥＤサンプルの測定値である。
このＬＥＤサンプルのキャリヤ濃度は１．８×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3であるが、図３に示したようにＳｉ濃度が２×１０
¹⁶ｃｍ^-3以下であるために電極間抵抗が上昇している。
従って図５より、電極間抵抗についてはキャリヤ濃度が
１．５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上、より好ましくは２×１０¹⁷
ｃｍ^-3以上であれば目標レベルを達成できることがわか
る。

【００６５】以上の結果をまとめると、輝度と電極間抵
抗（すなわち電極間抵抗に対応するＶＦ）の目標レベル
を同時に満足するためには、エピタキシャル成長に使用
するｎ型ＧａＰ単結晶基板はｎ型のドーパントとしてＳ
ｉとＴｅが同時にドープされており、前記ｎ型ＧａＰ単
結晶基板中のＳｉ濃度とＴｅ濃度の和が２×１０¹⁷ｃｍ
^-3以上２×１０^{1 8}ｃｍ^-3以下であり、かつ前記ｎ型Ｇａ
Ｐ単結晶基板中のＳｉ濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以上８×
１０¹⁷ｃｍ^-3以下であり、かつ前記ｎ型ＧａＰ単結晶基
板中のＴｅ濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上２×１０¹⁸ｃｍ
^-3以下であるとよい。

【００６６】さらに前記ｎ型ＧａＰ単結晶基板のキャリ
ヤ濃度が１．５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１０×１０¹⁷ｃｍ^-3
以下、より好ましくは２×１０¹⁷ｃｍ^-3以上８×１０¹⁷
ｃｍ^-3以下であると、輝度と電極間抵抗の特性に優れた
ＧａＰ黄緑色発光ダイオードを作製することができる。

【００６７】また、実験例１に示したＳｉとＴｅの添加
条件でＧａＰ単結晶インゴットを育成すると、インゴッ
トの全領域から上記のＳｉ濃度、Ｔｅ濃度およびキャリ
ア濃度の最適条件が満たされたＧａＰ単結晶基板を作製
することができ、キャリヤ濃度の最適範囲を狭めてもＧ
ａＰ単結晶インゴットからの基板の合格率は低下しない
ことがわかる。なお、このようなＳｉとＴｅの最適添加
条件は、液体封止チョクラルスキー法等によるＧａＰ単
結晶インゴットの育成条件に合わせて、実験により決め
ることができる。

【００６８】本発明者はＧａＰ純緑色ＬＥＤについても
同様の実験を行い、ＧａＰ単結晶基板のＳｉ濃度、Ｔｅ
濃度およびキャリア濃度の最適値についてＧａＰ黄緑色
ＬＥＤと同様の結果が得られた。

【００６９】

【発明の効果】以上のように本発明の結果、ＧａＰ緑色
系発光ダイオードの高輝度化および低ＶＦ化の要求に対
応するために、ｎ型ＧａＰ単結晶基板のキャリヤ濃度の
最適範囲を狭めても、基板収率を低下させないＧａＰ単
結晶インゴットを作製することができる。また、そのイ
ンゴットからＧａＰ緑色系ＬＥＤの製造に好適に用いる
ことができるＧａＰ単結晶基板を製造することができ
る。

【００７０】本発明のＧａＰ単結晶基板を用いてＧａＰ
緑色系発光ダイオード用エピタキシャル基板を作製する
と、ＧａＰ単結晶基板に起因するＶＦのばらつきや輝度
低下が発生しない高輝度でかつＶＦの低減された発光ダ
イオードを作製することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＧａＰ黄緑色発光ダイオードの構造の概略図

【図２】ＧａＰ純緑色発光ダイオードの構造の概略図

【図３】本発明の実験例１、２、３で作製したＬＥＤサ
ンプルについて、ＧａＰ単結晶基板中のＳｉ濃度及びＴ
ｅ濃度と輝度、電極間抵抗の判定結果の関係を示す図

【図４】本発明の実験例１、２、３について、ＧａＰ単
結晶基板のキャリヤ濃度と輝度の関係を示す図

【図５】本発明の実験例１、２、３について、ＧａＰ単
結晶基板のキャリヤ濃度と電極間抵抗の関係を示す図

【符号の説明】

１ ｎ型ＧａＰ単結晶基板 ２ ｎ型ＧａＰバッファ層 ３ ｎ型ＧａＰエピタキシャル層 ４ Ｎドープｎ型ＧａＰエピタキシャル層 ５ ｐ型ＧａＰエピタキシャル層 ６ ｎ型ＧａＰ単結晶基板 ７ ｎ型ＧａＰバッファ層 ８ ｎ型ＧａＰエピタキシャル層 ９ ｐ型ＧａＰエピタキシャル層

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ｎ型のドーパントとしてＳｉとＴｅが同時
   にドープされたｎ型ＧａＰ単結晶基板において、該ｎ型
   ＧａＰ単結晶基板中のＳｉ濃度とＴｅ濃度の和が２×１
   ０¹⁷ｃｍ^-3以上２×１０^{1 8}ｃｍ^-3以下であり、かつＳｉ
   濃度が２×１０¹⁶ｃｍ^-3以上８×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であ
   り、かつＴｅ濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上２×１０¹⁸ｃ
   ｍ^-3以下であることを特徴とするｎ型ＧａＰ単結晶基
   板。
2. 【請求項２】ｎ型キャリヤ濃度が１．５×１０¹⁷ｃｍ^-3
   以上１０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とする請
   求項１に記載のｎ型ＧａＰ単結晶基板。
3. 【請求項３】ｎ型キャリヤ濃度が２×１０¹⁷ｃｍ^-3以上
   ８×１０¹⁷ｃｍ^-3以下であることを特徴とする請求項１
   に記載のｎ型ＧａＰ単結晶基板。
4. 【請求項４】ｎ型ＧａＰ単結晶基板が液体封止チョクラ
   ルスキー法により育成されたｎ型ＧａＰ単結晶インゴッ
   トから作製されたものであることを特徴とする請求項１
   乃至３のいずれか１項に記載のｎ型ＧａＰ単結晶基板。
5. 【請求項５】請求項１乃至４のいずれか１項に記載のｎ
   型ＧａＰ単結晶基板を用いて作製したＧａＰ緑色系発光
   ダイオード用エピタキシャル基板。
6. 【請求項６】請求項５に記載のエピタキシャル基板から
   作製されたＧａＰ緑色系発光ダイオード。
7. 【請求項７】ｎ型のドーパントとしてＳｉとＴｅを同時
   にドープしてｎ型ＧａＰ単結晶インゴットを育成し、該
   インゴットからｎ型ＧａＰ単結晶基板を作製するｎ型Ｇ
   ａＰ単結晶基板の製造方法において、ｎ型ＧａＰ単結晶
   基板中のＳｉ濃度とＴｅ濃度の和を２×１０¹⁷ｃｍ^-3以
   上２×１０^{1 8}ｃｍ^-3以下とし、かつＳｉ濃度を２×１０
   ¹⁶ｃｍ^-3以上８×１０¹⁷ｃｍ^-3以下とし、かつＴｅ濃度
   を１×１０ ¹⁷ｃｍ^-3以上２×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とするよ
   うに、ＧａＰ単結晶インゴットの原料にＳｉとＴｅを添
   加することを特徴とするｎ型ＧａＰ単結晶基板の製造方
   法。
8. 【請求項８】ｎ型ＧａＰ単結晶基板のキャリヤ濃度を
   １．５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上１０×１０¹⁷ｃｍ^-3以下とす
   ることを特徴とする請求項７に記載のｎ型ＧａＰ単結晶
   基板の製造方法。
9. 【請求項９】ｎ型ＧａＰ単結晶基板のキャリヤ濃度を２
   ×１０¹⁷ｃｍ^-3以上８×１０¹⁷ｃｍ^-3以下とすることを
   特徴とする請求項７に記載のｎ型ＧａＰ単結晶基板の製
   造方法。
10. 【請求項１０】液体封止チョクラルスキー法によりｎ型
    ＧａＰ単結晶インゴットを育成することを特徴とする請
    求項７乃至９のいずれか１項に記載のｎ型ＧａＰ単結晶
    基板の製造方法。