JP2010212446A - 発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ - Google Patents
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Abstract
【課題】発光波長６５５ｎｍ以上の、高出力・高効率のＬＥＤを量産可能なエピタキシャルウェーハを提供する。
【解決手段】ＧａＡｓ基板１と、ＧａＡｓ基板１上に設けられた発光部２と、発光部２上に設けられた歪調整層３とを備え、発光部２は、組成式（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦０．１、０．３７≦Ｙ≦０．４６）からなる歪発光層７を有し、歪調整層３は、発光波長に対して透明であると共にＧａＡｓ基板１の格子定数よりも小さい格子定数を有することを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ１０を採用する。
【選択図】図１
【解決手段】ＧａＡｓ基板１と、ＧａＡｓ基板１上に設けられた発光部２と、発光部２上に設けられた歪調整層３とを備え、発光部２は、組成式（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦０．１、０．３７≦Ｙ≦０．４６）からなる歪発光層７を有し、歪調整層３は、発光波長に対して透明であると共にＧａＡｓ基板１の格子定数よりも小さい格子定数を有することを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ１０を採用する。
【選択図】図１
Description
本発明は、発光ダイオード用エピタキシャルウェーハに関するものであり、特に高出力発光ダイオード用エピタキシャルウェーハに関する。
近年、人工光源による植物育成が研究なされている。特に、単色性に優れており、省エネルギー、長寿命、小型化が可能な発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）による照明を用いた栽培方法が注目されている。また、これまでの研究結果から、植物育成（光合成）用の光源に適した発光波長の１つとして、波長６００〜７００ｎｍの領域の、赤色光の効果が確認されている。特に、光合成に対して波長６６０〜６７０ｎｍ付近の光は、反応効率が高く望ましい光源である。この波長に対して、従来の赤色発光ダイオードに於いては、ＡｌＧaＡｓ及びＩｎＧａＮＰ等からなる発光層の適用が検討されていた。（例えば特許文献１〜４）
一方、燐化アルミニウム・ガリウム・インジウム（組成式（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ；０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）からなる発光層を備えた化合物半導体ＬＥＤが知られている。このＬＥＤに於いて、Ｇａ0.5Ｉｎ0.5Ｐの組成を有する発光層の波長が最も長く、この発光層で得られるピーク波長は、６５０ｎｍ付近である。このため、６５５ｎｍよりも長波長の領域では、実用化、高輝度化が困難であった。
また、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）からなる発光層を備えた発光部は、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶基板上に形成されている。このとき、上記発光部の組成は、ＧａＡｓ単結晶基板の格子定数に整合する様に選択される。一方、発光メカニズムの異なるレーザー素子に於いては、歪のある発光層について検討されているが、発光ダイオードに於いては、歪のある発光層について実用化されていないのが現状である（例えば、特許文献５参照）。
また、発光ダイオードの発光部に量子井戸構造を適用した検討がされている。しかしながら、量子井戸構造の適用によって得られる量子効果は、発光波長を短波長化させるため、長波長化の技術には適用できないという問題があった（例えば、特許文献６参照）。
ところで、植物育成用の照明の光源として実用化するためには、省エネ、コスト面から、発光効率の高いＬＥＤを用いて使用電力及びＬＥＤの使用数量を削減する必要がある。また、ＬＥＤの量産技術の確立やコストダウンも重要な課題である。
特に、植物育成用の照明に適する６６０ｎｍの波長帯のＬＥＤは、従来のＡｌＧaＡｓからなる発光層を備えたＬＥＤでは発光出力が不足しているため、高出力化・高効率化の実現が可能なＬＥＤの開発が望まれていた。
特に、植物育成用の照明に適する６６０ｎｍの波長帯のＬＥＤは、従来のＡｌＧaＡｓからなる発光層を備えたＬＥＤでは発光出力が不足しているため、高出力化・高効率化の実現が可能なＬＥＤの開発が望まれていた。
一方、発光効率の高い（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）からなる発光層においては、６５０ｎｍ以上の長波長化には、ＬＥＤ用の歪発光層に特有の技術課題が存在するため、実用化・高効率化、量産化ができていない。特に、６５５ｎｍ以上の長波長化では、発光層の歪が制御され、発光波長の均一性が良好なエピタキシャルウェーハの量産技術に課題があった。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、発光波長６５５ｎｍ以上の、高出力・高効率のＬＥＤを量産可能なエピタキシャルウェーハを提供することを目的とする。
すなわち、本発明は以下に関する。
（１） ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に設けられたｐｎ接合型の発光部と、前記発光部上に設けられた歪調整層とを備え、前記発光部は、組成式（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦０．１、０．３７≦Ｙ≦０．４６）からなる歪発光層を有し、前記歪調整層は、発光波長に対して透明であると共に前記ＧａＡｓ基板の格子定数よりも小さい格子定数を有することを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（２） 前記歪発光層の組成式が、ＧａＸＩｎ１−XＰ（０．３７≦Ｘ≦０．４６）であることを特徴とする前項１に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（３） 前記歪発光層の厚さが、８〜３０ｎｍの範囲であることを特徴とする前項１又は２に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（４） 前記歪調整層の組成式が、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１、０．６≦Ｙ≦１）であることを特徴とする前項１乃至３のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（５） 前記歪調整層の組成式が、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ１−ＹＰＹ（０≦Ｘ≦１、０．６≦Ｙ≦１）であることを特徴とする前項１乃至３のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（６） 前記歪調整層が、ＧａＰであることを特徴とする前項１乃至３のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（７） 前記歪調整層の厚さが、０．５〜２０μｍの範囲であることを特徴とする前項１乃至６のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（８） 前記発光部は、前記歪発光層とバリア層との積層構造を有しており、歪発光層が８〜４０層含まれていることを特徴とする前項１乃至７のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（９） 前記バリア層の組成式が、（ＡｌＸＧａ1-Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．３≦Ｘ≦０．７、０．４９≦Ｙ≦０．５２）であることを特徴とする前項１乃至８のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１０） 前記発光部の上面及び下面の一方又は両方にクラッド層を備え、前記クラッド層の組成式が（ＡｌＸＧａ1-Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．５≦Ｘ≦１、０．４８≦Ｙ≦０．５２）であることを特徴とする前項１乃至９のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１１） 前記ＧａＡｓ基板の面方位の範囲が、（１００）方向から（０−１−１）方向に１５°オフ±５°であることを特徴とする前項１乃至１０のいずれかに記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１２） 前記ＧａＡｓ基板の直径が、７５ｍｍ以上であることを特徴とする前項１乃至１１のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１３） 反り量が、２００μｍ以下であることを特徴とする前項１２に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１４） 植物育成の光合成の促進に使用する発光ダイオード用エピタキシャルウェーハであって、前記歪発光層のピーク発光波長が、６５５〜６７５ｎｍの範囲であることを特徴とする前項１乃至１３のいずれかに記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１５） 前記歪発光層の発光波長７００ｎｍにおける発光強度が、前記ピーク発光波長における発光強度の１０％未満であることを特徴とする前項１４に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１） ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に設けられたｐｎ接合型の発光部と、前記発光部上に設けられた歪調整層とを備え、前記発光部は、組成式（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦０．１、０．３７≦Ｙ≦０．４６）からなる歪発光層を有し、前記歪調整層は、発光波長に対して透明であると共に前記ＧａＡｓ基板の格子定数よりも小さい格子定数を有することを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（２） 前記歪発光層の組成式が、ＧａＸＩｎ１−XＰ（０．３７≦Ｘ≦０．４６）であることを特徴とする前項１に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（３） 前記歪発光層の厚さが、８〜３０ｎｍの範囲であることを特徴とする前項１又は２に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（４） 前記歪調整層の組成式が、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１、０．６≦Ｙ≦１）であることを特徴とする前項１乃至３のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（５） 前記歪調整層の組成式が、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ１−ＹＰＹ（０≦Ｘ≦１、０．６≦Ｙ≦１）であることを特徴とする前項１乃至３のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（６） 前記歪調整層が、ＧａＰであることを特徴とする前項１乃至３のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（７） 前記歪調整層の厚さが、０．５〜２０μｍの範囲であることを特徴とする前項１乃至６のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（８） 前記発光部は、前記歪発光層とバリア層との積層構造を有しており、歪発光層が８〜４０層含まれていることを特徴とする前項１乃至７のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（９） 前記バリア層の組成式が、（ＡｌＸＧａ1-Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．３≦Ｘ≦０．７、０．４９≦Ｙ≦０．５２）であることを特徴とする前項１乃至８のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１０） 前記発光部の上面及び下面の一方又は両方にクラッド層を備え、前記クラッド層の組成式が（ＡｌＸＧａ1-Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．５≦Ｘ≦１、０．４８≦Ｙ≦０．５２）であることを特徴とする前項１乃至９のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１１） 前記ＧａＡｓ基板の面方位の範囲が、（１００）方向から（０−１−１）方向に１５°オフ±５°であることを特徴とする前項１乃至１０のいずれかに記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１２） 前記ＧａＡｓ基板の直径が、７５ｍｍ以上であることを特徴とする前項１乃至１１のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１３） 反り量が、２００μｍ以下であることを特徴とする前項１２に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１４） 植物育成の光合成の促進に使用する発光ダイオード用エピタキシャルウェーハであって、前記歪発光層のピーク発光波長が、６５５〜６７５ｎｍの範囲であることを特徴とする前項１乃至１３のいずれかに記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１５） 前記歪発光層の発光波長７００ｎｍにおける発光強度が、前記ピーク発光波長における発光強度の１０％未満であることを特徴とする前項１４に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
本発明の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハには、ＧａＡｓ基板上に、組成式（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦０．１、０．３７≦Ｙ≦０．４６）からなる歪発光層を有する発光部が設けられている。歪発光層の材質にＡｌＧａＩｎＰを採用することにより、歪発光層における発光効率を向上することができる。また、歪発光層の組成を上記範囲に規定することにより、歪発光層からの発光波長を６５５ｎｍ以上とすることができる。
また、本発明の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハには、発光部上に歪調整層が設けられている。この歪調整層は、発光波長に対して透明であるため、このエピタキシャルウェーハを用いてＬＥＤを作製した際に、発光部からの発光を吸収することがない。さらに、この歪調整層は、ＧａＡｓ基板の格子定数よりも小さい格子定数を有しているため、このエピタキシャルウェーハ全体の反りの発生を低減することができる。これにより、歪発光層への欠陥の発生を抑制することができる。
したがって、本発明の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハによれば、発光波長６５５ｎｍ以上の、高出力・高効率のＬＥＤを量産可能なエピタキシャルウェーハを提供することができる。また、本発明のエピタキシャルウェーハを用いて発光ダイオードを作製した際には、従来のＡｌＧaＡｓ系の発光層を採用した発光ダイオード（ＬＥＤ）と比較して、３倍以上の発光効率を有する高出力発光ダイオードを提供することができる。
また、本発明の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハには、発光部上に歪調整層が設けられている。この歪調整層は、発光波長に対して透明であるため、このエピタキシャルウェーハを用いてＬＥＤを作製した際に、発光部からの発光を吸収することがない。さらに、この歪調整層は、ＧａＡｓ基板の格子定数よりも小さい格子定数を有しているため、このエピタキシャルウェーハ全体の反りの発生を低減することができる。これにより、歪発光層への欠陥の発生を抑制することができる。
したがって、本発明の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハによれば、発光波長６５５ｎｍ以上の、高出力・高効率のＬＥＤを量産可能なエピタキシャルウェーハを提供することができる。また、本発明のエピタキシャルウェーハを用いて発光ダイオードを作製した際には、従来のＡｌＧaＡｓ系の発光層を採用した発光ダイオード（ＬＥＤ）と比較して、３倍以上の発光効率を有する高出力発光ダイオードを提供することができる。
以下、本発明を適用した一実施形態である発光ダイオード用エピタキシャルウェーハについて、これを用いた発光ダイオードチップとともに図面を用いて詳細に説明する。本実施形態は、上下に電流を流す一般的な素子構造とした。以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
＜発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ＞
図１は、本発明を適用した一実施形態である発光ダイオード用エピタキシャルウェーハの構造を説明するための断面模式図である。図１に示すように、本実施形態の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ１０（以下、エピウェーハ１０と記す）は、ＧａＡｓ基板１と、ＧａＡｓ基板１上に設けられたｐｎ接合型の発光部２と、発光部２上に設けられた歪調整層３とを少なくとも備えて概略構成されている。具体的には、エピウェーハ１０は、ＧａＡｓ基板１の表面上に、ＧａＡｓからなる緩衝層４、下部クラッド層５、発光部２、上部クラッド層６、歪調整層３が順次積層された素子構造を有している。なお、本実施形態では、緩衝層４、下部クラッド層５、発光部２、上部クラッド層６及び歪調整層３を合わせて、エピタキシャル成長層という場合がある。
図１は、本発明を適用した一実施形態である発光ダイオード用エピタキシャルウェーハの構造を説明するための断面模式図である。図１に示すように、本実施形態の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ１０（以下、エピウェーハ１０と記す）は、ＧａＡｓ基板１と、ＧａＡｓ基板１上に設けられたｐｎ接合型の発光部２と、発光部２上に設けられた歪調整層３とを少なくとも備えて概略構成されている。具体的には、エピウェーハ１０は、ＧａＡｓ基板１の表面上に、ＧａＡｓからなる緩衝層４、下部クラッド層５、発光部２、上部クラッド層６、歪調整層３が順次積層された素子構造を有している。なお、本実施形態では、緩衝層４、下部クラッド層５、発光部２、上部クラッド層６及び歪調整層３を合わせて、エピタキシャル成長層という場合がある。
この素子構造には、公知の機能層を適時加えることができる。例えば、オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極の接触抵抗を下げるためのコンタクト層、素子駆動電流を発光部の全般に平面的に拡散させるための電流拡散層、逆に素子駆動電流の通流する領域を制限するための電流阻止層や電流狭窄層など公知の層構造を設けることができる。また、ＧａＡｓ基板１の上方には、反射層（ＤＢＲ層）など、公知の層構造を設けることができる。
ＧａＡｓ基板１は、公知の製法で作製された市販品の単結晶基板を使用できる。ＧａＡｓ基板１のエピタキシャル成長させる表面は、平滑であることが望ましい。ＧａＡｓ基板１の表面の面方位は、エピ成長しやすく、量産されている（１００）面および（１００）から、±２０°以内にオフした基板が、品質の安定性の面からのぞましい。さらに、ＧａＡｓ基板１の面方位の範囲が、（１００）方向から（０−１−１）方向に１５°オフ±５°であることがより好ましい。
ＧａＡｓ基板１の転位密度は、エピタキシャル成長層の結晶性を良くするために低い方が望ましい。具体的には、例えば、１０，０００個ｃｍ−２以下、望ましくは、１，０００個ｃｍ−２以下であることが好適である。
ＧａＡｓ基板１は、Ｎ型であってもＰ型であっても良い。ＧａＡｓ基板１のキャリア濃度は、所望の電気伝導度と素子構造から、適宜選択することができる。例えば、ＧａＡｓ基板１がシリコンドープのｎ型である場合には、キャリア濃度が１×１０１７〜５×１０１８ｃｍ−３の範囲であることが好ましい。これに対して、ＧａＡｓ基板１が亜鉛をドープしたＰ型の場合には、キャリア濃度２×１０１８〜５×１０１９ｃｍ−３の範囲であることが好ましい。
ＧａＡｓ基板１の厚さは、基板のサイズに応じて適切な範囲がある。ＧａＡｓ基板１の厚さが適切な範囲よりも薄いと、エピウェーハ１０の製造プロセス中に割れて、収率が低下してしまうおそれがある。一方、ＧａＡｓ基板１の厚さが適切な範囲よりも厚いと材料コストが増加することになる。このため、ＧａＡｓ基板１の基板サイズが大きい場合、例えば、直径７５ｍｍの場合には、ハンドリング時の割れを防止するために２５０〜５００μｍの厚さが望ましい。同様に、直径５０ｍｍの場合は、２００〜４００μｍの厚さが望ましく、直径１００ｍｍの場合は、３５０〜６００μｍの厚さが望ましい。なお、本実施形態では、ＧａＡｓ基板１の直径は、生産性の点から７５ｍｍ以上であることが好ましい。
このように、ＧａＡｓ基板１の基板サイズに応じて基板の厚さを厚くすることにより、後述する歪発光層７に起因するエピウェーハ１０の反りを低減することができる。これにより、エピタキシャル成長中の温度分布が均一となることため、エピウェーハ１０面内の波長分布を小さくすることができる。なお、ＧａＡｓ基板１の形状は、特に円形に限定されず、矩形等であっても問題ない。
発光部２は、図１に示すように、下部クラッド層５及び上部クラッド層６と共にダブルヘテロ構造を構成している。また、発光部２は、エピウェーハ１０を用いて発光ダイオード（ＬＥＤ）を作製した際に発光波長を制御するため、井戸構造を構成することが好ましい。すなわち、発光部２は、図２に示すように、歪発光層（井戸層、ウェル（ｗｅｌｌ）層ともいう）７を両端に有する、歪発光層７とバリア層（障壁層ともいう）８との多層構造であることが好ましい。
発光部２の層厚は、０．０２〜２μｍの範囲であることが好ましい。また、発光部２の伝導型は特に限定されるものではなく、アンドープ、ｐ型及びｎ型のいずれも選択することができる。発光効率を高めるには、結晶性が良好なアンドープ又は３×１０１７ｃｍ−３未満のキャリア濃度とすることが望ましい。
歪発光層７は、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）の組成を有している。上記Ｘは、０．１以下であることが好ましく、０であることがより好ましい。また、上記Ｙは、０．３７〜０．４６の範囲が好ましく、０．３９〜０．４５の範囲がより好ましい。
歪発光層７の層厚は、８〜３０ｎｍの範囲が好適である。ここで、歪発光層７の層厚が約６ｎｍ未満の薄膜である場合では、井戸構造の量子効果により発光波長が短くなり、所望の６５５ｎｍ以上が得られなくなる。従って、歪発光層７の層厚は、層厚の変動を加味して量子効果の発現しない８ｎｍ以上であることが望ましい。また、層厚の制御の容易さを考慮すれば、１０ｎｍ以上が好適である。一方、歪発光層７の層厚が３０ｎｍを超えると、歪量が大きくなりすぎるため、結晶欠陥や表面の異常が発生しやすくなるために好ましくない。
バリア層８は、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）の組成を有している。上記Ｘは、０．３〜０．７の範囲が好ましく、０．４〜０．５の範囲がより好ましい。また、上記Ｙは、０．４８〜０．５２の範囲が好ましく、０．４９〜０．５１の範囲がより好ましい。
バリア層８の層厚は、歪発光層７の層厚よりも厚いことが好ましい。これにより、歪発光層７の発光効率を高くすることができる。また、バリア層８によって発光効率を最適化すると共に歪発光層７に発生した歪を緩和する必要がある。したがって、バリア層８は、少なくとも、１５ｎｍ以上の層厚とすることが好ましく、２０ｎｍ以上の層厚がより好ましい。一方、バリア層８の層厚が、５０ｎｍを超えると発光波長の波長に近くなり、光の干渉、ブラッグ反射など、光学的な影響がでる。したがって、バリア層８は、５０ｎｍ以下の層厚とすることが好ましく、４０ｎｍ以下の層厚がより好ましい。上述したように、歪発光層７の層厚が薄く、バリア層８の層厚が厚いほうが、歪発光層７の歪をバリア層８によって吸収する効果が得られると共に、歪発光層７に結晶欠陥が発生しにくいという効果が得られる。
歪発光層７とバリア層８との多層構造において、歪発光層７とバリア層８とを交互に積層する対の数は特に限定されるものではないが、８対以上４０対以下であることが好ましい。すなわち、発光部２には、歪発光層７が８〜４０層含まれていることが好ましい。ここで、発光部２の発光効率が好適な範囲としては、歪発光層７が８層以上であることが好ましい。一方、歪発光層７及びバリア層８は、キャリア濃度が低いため、多くの対にすると順方向電圧（ＶＦ）が、増大してしまう。このため、４０対以下であることが好ましく、３０対以下であることがより好ましい。また、歪発光層７が有する歪は、エピタキシャル成長基板と発光部２との格子定数が異なるため、発光部２中に発生するストレスである。このため、歪発光層７とバリア層８とを交互に積層する対の数、すなわち、発光部２に含まれる歪発光層７の層の数が前記範囲を超えると、発光部２が歪に耐えきれずに結晶欠陥が発生し、表面状態の悪化や発光効率低下などの問題が発生する。
歪発光層７は、図３及び図４に示すような上下に電流を流す素子構造（発光ダイオード２０）とした場合に、そのピーク発光波長が６５５〜６７５ｎｍの範囲とすることが好ましく、６６０〜６７０ｎｍの範囲とすることがより好ましい。上記範囲の発光波長は、植物育成（光合成）用の光源に適した発光波長の１つであり、光合成に対して反応効率が高いために望ましい。
一方、７００ｎｍ以上の長波長領域の光を利用すると、植物の育成を抑制する反応が起こる為、長波長域の光量は少ない方が望ましい。従って、効率的に植物育成する為には、光合成反応に対して最適な６５５〜６７５ｎｍの波長領域の光が強く、７００ｎｍ以上の超波長領域の光を含まない赤色光源が最も好ましい。
また、歪発光層７の発光波長７００ｎｍにおける発光強度が、上記ピーク発光波長における発光強度の１０％未満であることが好ましい。このような特性の歪発光層７を有するエピウェーハ１０を用いて作製された発光ダイオードは、植物育成の光合成の促進に使用する照明として好適に用いることができる。また、歪発光層７の構成は、上記特性を充足するように組成、層厚、層数を選択することができる。
一方、７００ｎｍ以上の長波長領域の光を利用すると、植物の育成を抑制する反応が起こる為、長波長域の光量は少ない方が望ましい。従って、効率的に植物育成する為には、光合成反応に対して最適な６５５〜６７５ｎｍの波長領域の光が強く、７００ｎｍ以上の超波長領域の光を含まない赤色光源が最も好ましい。
また、歪発光層７の発光波長７００ｎｍにおける発光強度が、上記ピーク発光波長における発光強度の１０％未満であることが好ましい。このような特性の歪発光層７を有するエピウェーハ１０を用いて作製された発光ダイオードは、植物育成の光合成の促進に使用する照明として好適に用いることができる。また、歪発光層７の構成は、上記特性を充足するように組成、層厚、層数を選択することができる。
歪調整層３は、図１に示すように、上部クラッド層６を介して発光部２上に設けられている。また、歪調整層３は、発光部２（歪発光層７）からの発光波長に対して透明である。さらに、歪調整層３は、上記ＧａＡｓ基板１の格子定数よりも小さい格子定数を有している。
歪調整層３としては、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１、０．６≦Ｙ≦１）の組成を有する材料を適用することができる。上記Ｘは、エピウェーハ１０の素子構造にもよるが、Ａｌ濃度が低い材料が化学的に安定であることから、０．５以下であることが好ましく、０であることがより好ましい。また、上記Ｙの下限値は、０．６以上であることが好ましい。ここで、発光部２（歪発光層７）の有する歪が同じ場合を比較すると、上記Ｙの値が小さいほうが歪調整層３の歪調整効果が小さくなる。このため、歪調整層３の層厚を厚くする必要が生じ、歪調整層３の成膜時の成長時間とコストが上昇してしまうため、上記Ｙの値は０．６以上であることが好ましく、０．８以上であることがより好ましい。
また、歪調整層３としては、発光波長に対して透明であり、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ１−ＹＰＹ（０≦Ｘ≦１、０．６≦Ｙ≦１）の組成を有するＩＩＩ−Ｖ属半導体材料も好適に用いることができる。上記組成を有する歪調整層３では、Ｙの値によって格子定数が変化する。上記Ｙの値が大きい方が、格子定数が小さくなる。また、発光波長に対する透明度は、上記Ｘ及びＹの値の双方に関連する為、透明な材料となるようにＸ及びＹの値を選択すれば良い。
さらに、歪調整層３として、ＧａＰを用いることができる。このＧａＰは、組成の調整が不要であると共に歪調整効果が大きいため、生産性及び安定性の面からも歪調整層３の材料として最も適している。
歪調整層３は、エピタキシャル成長基板であるＧａＡｓ基板１の格子定数よりも小さい格子定数を有しているため、歪発光層７が包含する歪量のばらつきを緩和する機能を備えている。このため、歪調整層３を設けることにより、発光波長などの特性の均一化、クラック発生等の結晶欠陥の発生防止の効果がある。ここで、歪調整層３の層厚は、０．５〜２０μｍの範囲であることが好ましく、３〜１５μｍの範囲であることがより好ましい。層厚が０．５μｍ未満であると、歪発光層７の歪量のばらつきを緩和するのに十分ではなく、層厚が２０μｍを超えると、成長時間が長くコストが増大するために好ましくない。
また、歪調整層３の組成を制御することにより、薄いＧａＡｓ基板１を用いた場合でもエピウェーハ１０の反りを低減することができるため、面内波長分布の小さいエピウェーハ１０の作製が可能である。また、同じ厚さの基板では、ＧａＡｓ基板１のサイズが大きくなる程エピウェーハ１０の反りは大きくなる。しかしながら、歪調整層３の組成を制御することにより、例えば、直径７５ｍｍ以上の大口径のＧａＡｓ基板１を使用した場合であっても、エピウェーハ１０の反りを低減させることができる。さらに、例えば、高輝度化を実現するために機能性基板とエピウェーハ１０との接合を行なう素子構造の場合にも、エピウェーハ１０の反りが大きい場合は割れなどの問題が生じるため、エピウェーハ１０の反りを小さくすることが望ましい。エピウェーハ１０の反り量は、例えば、直径７５ｍｍ以上のＧａＡｓ基板１を使用した場合において、２００μｍ以下であることが好ましく、１５０μｍ以下であることがより好ましい。なお、基板サイズが大きいほど、反りが大きくなる傾向がある。例えば、基板サイズが７５ｍｍの場合は、歪調整層及び歪発光層の組成、基板の厚さにより変動するが、反りは約５０〜１５０μｍの範囲となる。また、基板サイズが１００ｍｍの場合は、歪調整層及び歪発光層の組成、基板の厚さにより変動するが、反りは約８０〜２００μｍの範囲となる。
ここで、本実施形態におけるエピウェーハ１０の反りの測定方法について、図５を参照しながら説明する。先ず、図５（１）に示すように、エピウェーハ１０をＧａＡｓ基板２が下側となるように、すなわちエピタキシャル成長層を上側となるように平坦面に載置する。このとき、エピウェーハ１０は上向きに凸となっている。そして、このエピウェーハ１０の中央部分の平坦面からの高さＡを測定する。
次に、図５（２）に示すように、エピウェーハ１０をＧａＡｓ基板２が上側となるように、すなわちエピタキシャル成長層を下側となるように平坦面に載置する。このとき、エピウェーハ１０は下向きに凸となっている。そして、このエピウェーハ１０の中央部分の平坦面と接している部分の高さ（すなわち、エピウェーハ１０の厚さ）Ｂを測定する。
最後に、高さＡの値から高さＢの値を差し引いた値を算出する。この値が、本実施形態におけるエピウェーハ１０の反り量と定義される
次に、図５（２）に示すように、エピウェーハ１０をＧａＡｓ基板２が上側となるように、すなわちエピタキシャル成長層を下側となるように平坦面に載置する。このとき、エピウェーハ１０は下向きに凸となっている。そして、このエピウェーハ１０の中央部分の平坦面と接している部分の高さ（すなわち、エピウェーハ１０の厚さ）Ｂを測定する。
最後に、高さＡの値から高さＢの値を差し引いた値を算出する。この値が、本実施形態におけるエピウェーハ１０の反り量と定義される
次に、歪調整層３が歪を緩和するメカニズム（歪調整層３と、ＧａＡｓ基板１及び発光部２との格子定数の関係）について、図６を参照しながら説明する。
図６に示すように、歪調整層３の格子定数は、基準となるＧａＡｓ基板１の格子定数より小さい側にある。この状態を−（マイナス）歪とする。これに対して、発光部２における歪発光層７の格子定数は、基準となるＧａＡｓ基板１の格子定数よりも大きい側にある。これを＋（プラス）歪とする。本発明は、歪調整層３に起因する−歪の存在が、長波長化するために歪発光層７に導入が必要な＋歪のバラツキを小さくする効果があることを見出した。上述したように、歪発光層７の発光波長は、歪発光層７の層厚、組成及び歪量によって決定される。このように、歪発光層７の発光波長に影響を与える要素が多いため、各要素のばらつきの相乗効果によって波長のバラツキが大きくなりやすい傾向がある。
図６に示すように、歪調整層３の格子定数は、基準となるＧａＡｓ基板１の格子定数より小さい側にある。この状態を−（マイナス）歪とする。これに対して、発光部２における歪発光層７の格子定数は、基準となるＧａＡｓ基板１の格子定数よりも大きい側にある。これを＋（プラス）歪とする。本発明は、歪調整層３に起因する−歪の存在が、長波長化するために歪発光層７に導入が必要な＋歪のバラツキを小さくする効果があることを見出した。上述したように、歪発光層７の発光波長は、歪発光層７の層厚、組成及び歪量によって決定される。このように、歪発光層７の発光波長に影響を与える要素が多いため、各要素のばらつきの相乗効果によって波長のバラツキが大きくなりやすい傾向がある。
例えば、歪発光層７の層厚は３０ｎｍ以下の薄膜が望ましいが、薄い膜であるために層厚を均一に制御することは困難である。そして、層厚と導入される歪量とには相関があるため、歪発光層７の層厚がばらつくことによって導入される歪量もばらつき、結果として歪発光層７の発光波長がばらつくこととなる。そこで、＋歪を有する歪発光層７を含む発光部２上に歪調整層３を設けることにより、この歪調整層３の有する−歪が、歪発光層７の層厚のばらつきによって＋側に大きくずれた歪を−側に引き寄せて、歪発光層７の歪量のばらつきを小さくする作用があることを見出した。この歪調整層３の効果は、歪発光層７の歪量のばらつきの原因が歪発光層７の組成のばらつきの場合であっても同様である。
ところで、歪調整層３のない従来の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハの構造では、発光波長等の特性のばらつきが大きいため、収率の低下や品質要求を満足することができずに量産することができなかった。これに対し、本実施形態のエピウェーハ１０では、発光部２上に歪調整層３を設けた素子構造としている。この現象は、歪が＋側へ大きくばらついた発光層については、大きく歪を調整する機能があると考えられる。これにより、長波長化を行うために必要な歪発光層７の歪量がウェーハ面内及びウェーハ間において均一化されて、発光波長及び出力の特性のばらつきが小さくなる。また、エピウェーハ１０の表面状態も改善される。したがって、例えば、直径７５ｍｍ以上の大口径ウェーハや、エピタキシャル成長の総面積が３５０ｃｍ２以上の多数枚の同時成長が可能となるため、生産性を各段に向上することができる。
緩衝層４は、図１に示すように、ＧａＡｓ基板１上に設けられている。緩衝層４は、エピタキシャル成長に用いる基板の結晶欠陥や格子歪の伝搬を緩和する機能を有している。このため、基板の品質やエピタキシャル成長条件を選択すれば、緩衝層４は、必ずしも必要ではない。また、緩衝層４の材質は、エピタキシャル成長させる基板と同じ材質とすることが好ましい。したがって、本実施形態では、緩衝層４には、ＧａＡｓ基板１と同じくＧａＡｓを用いることが好ましい。また、緩衝層４には、欠陥の伝搬を低減するためにＧａＡｓ基板１と異なる材質からなる多層膜を用いることもできる。緩衝層４の厚さは、０．１μｍ以上とすることが好ましく、０．２μｍ以上とすることがより好ましい。
下部クラッド層５及び上部クラッド層６は、図１に示すように、発光部２の下面及び上面にそれぞれ設けられている。具体的には、発光部２の下面側（ＧａＡｓ基板１側）に下部クラッド層５が設けられ、発光部２の上面側（歪調整層３側）に上部クラッド層６が設けられている。そして、下部クラッド層５及び上部クラッド層６によって、発光部２を下面及び上面から挟み込んだ構造となっている。
下部クラッド層５及び上部クラッド層６の材質としては、緩衝層４と格子整合し、且つ歪発光層７よりもバンドギャップの大きい材質が好ましく、バリア層８よりもバンドギャップが大きい材質がより好ましい。上記材質としては、例えば、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓの組成を有する化合物や、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）の組成を有する化合物が挙げられる。ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓの組成を有する場合、上記Ｘの値は、下限値が０．５以上であることが好ましく、０．６以上であることがより好ましい。また、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）組成を有する場合、上記Ｘの値は、下限値が０．３以上であることが好ましく、０．５以上であることがより好ましい。また、上記Ｙの値は、０．４９〜０．５２の範囲が好ましく、０．４９〜０．５１の範囲がより好ましい。
下部クラッド層５と上部クラッド層６とは、極性が異なる。また、下部クラッド層５及び上部クラッド層６のキャリア濃度及び厚さは、公知の好適な範囲を用いることができ、発光部２の発光効率が高まるように条件を最適化することが好ましい。また、下部クラッド層５及び上部クラッド層６の組成を制御することによっても、エピウェーハ１０の反りを低減させることができる。
具体的に、下部クラッド層５としては、例えば、Ｓｉをドープしたｎ型の（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．３≦Ｘ≦１，０．４８＜Ｙ≦０．５２）からなる半導体材料を用いることが望ましい。また、キャリア濃度は１×１０１７〜１×１０１８ｃｍ−３の範囲が好ましく、層厚は０．５〜２μｍの範囲が好ましい。なお、下部クラッド層５の極性はＧａＡｓ基板１と同じ極性（ｎ型）であるが、エピウェーハ１０を、ＧａＡｓ基板１を除去する構造のＬＥＤに適用する場合には、この限りでない。
一方、上部クラッド層６としては、例えば、Ｍｇをドープしたｐ型の（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．３≦Ｘ≦１，０．４８＜Ｙ≦０．５２）からなる半導体材料を用いることが望ましい。また、キャリア濃度は２×１０１７〜２×１０１８ｃｍ−３の範囲が好ましく、層厚は０．５〜５μｍの範囲が好ましい。なお、上部クラッド層６（及び歪調整層３）の極性は、素子構造を考慮して選択することができる。例えば、図３及び図４に示すように、エピウェーハ１０を上下に電流を流す素子構造の発光ダイオード２０に適用する場合には、ＧａＡｓ基板１と異なる極性（ｐ型）とする。
また、下部クラッド層５と発光部２との間、発光部２と上部クラッド層６との間及び上部クラッド層６と歪調整層３との間に、両層間におけるバンド（ｂａｎｄ）不連続性を緩やかに変化させるための中間層を設けても良い。この場合、各中間層は、上記両層の中間の禁止帯幅を有する半導体材料からそれぞれ構成することが好ましい。
＜エピタキシャルウェーハの製造方法＞
次に、本実施形態の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ１０（エピウェーハ１０）の製造方法について説明する。
次に、本実施形態の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ１０（エピウェーハ１０）の製造方法について説明する。
本実施形態のエピウェーハ１０は、ＧａＡｓ基板１上に、緩衝層４、下部クラッド層５、発光部２、上部クラッド層６、歪調整層３からなるエピタキシャル成長層を順次エピタキシャル成長させて積層する。
本実施形態では、分子線エピタキシャル法（ＭＢＥ）や減圧有機金属化学気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）等の公知の成長方法を適用することができる。なかでも、量産性に優れるＭＯＣＶＤ法を適用することが望ましい。具体的には、成長に使用するＧａＡｓ基板１は、成長前に洗浄工程や熱処理等の前処理を実施して、表面の汚染や自然酸化膜を除去することが望ましい。上記エピタキシャル成長層を構成する各層は、直径５０〜１５０ｍｍのＧａＡｓ基板１をＭＯＣＶＤ装置内に８枚以上セットし、同時にエピタキシャル成長させて積層することができる。また、ＭＯＣＶＤ装置としては、自公転型、高速回転型等の市販の大型装置を適用することができる。
上記エピタキシャル成長層の各層をエピタキシャル成長する際、ＩＩＩ族構成元素の原料としては、例えば、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ）を用いることができる。また、Ｍｇのドーピング原料としては、例えば、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）等を用いることができる。また、Ｓｉのドーピング原料としては、例えば、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）等を用いることができる。また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）等を用いることができる。また、各層の成長温度としては、歪調整層３としてｐ型ＧａＰを用いる場合は、７２０〜７７０℃を適用することができ、その他の各層では６００〜７００℃を適用することができる。さらに、各層のキャリア濃度及び層厚、温度条件は、適宜選択することができる。
このようにして製造したエピウェーハ１０は、歪発光層７を有するにもかかわらず結晶欠陥が少ない良好な表面状態が得られる。また、エピウェーハ１０は、素子構造に対応して研磨などの表面加工を施しても良い。また、ＧａＡｓ基板１の裏面を削って、厚さを調整しても良い。
＜植物育成用の発光ダイオード＞
本実施形態の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ１０（エピウェーハ１０）を素子とした場合について説明する。
図３及び図４に示すように、発光ダイオード２０は、エピウェーハ１０を用いて上下に電流を流す素子構造を有している。具体的には、発光ダイオード２０は、歪調整層３の上面及びＧａＡｓ基板１の下面に、所望の形状に加工されたオーミック電極９Ａ，９Ｂが設けられている。このオーミック電極９Ａ，９Ｂとしては、公知の電極材料を用いることができる。例えば、ｎ型電極には、ＡｕＧe等、ｐ型電極には、ＡｕＢｅ等を用いることができる。
本実施形態の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ１０（エピウェーハ１０）を素子とした場合について説明する。
図３及び図４に示すように、発光ダイオード２０は、エピウェーハ１０を用いて上下に電流を流す素子構造を有している。具体的には、発光ダイオード２０は、歪調整層３の上面及びＧａＡｓ基板１の下面に、所望の形状に加工されたオーミック電極９Ａ，９Ｂが設けられている。このオーミック電極９Ａ，９Ｂとしては、公知の電極材料を用いることができる。例えば、ｎ型電極には、ＡｕＧe等、ｐ型電極には、ＡｕＢｅ等を用いることができる。
発光ダイオード２０は、エピウェーハ１０の上面及び下面にオーミック電極９Ａ，９Ｂを形成し、ダイシング法により所望のサイズのチップに裁断した後、破砕層をエッチング除去することによって製造することができる。
次に、本実施形態のエピウェーハ１０を用いて作製した発光ダイオード２０の発光スペクトルを図７に示す。図７に示すように、発光ダイオード２０の発光スペクトルは、ピーク発光波長が６５５〜６７５ｎｍの範囲である。また、発光波長７００ｎｍにおける発光強度が、ピーク発光波長における発光強度の１０％未満となる。したがって、エピウェーハ１０を用いて作製した発光ダイオード２０は、植物育成の光合成の促進に使用する照明として好適に用いることができる。
以上説明したように、本実施形態のエピウェーハ１０によれば、ＧａＡｓ基板１上に、組成式（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦０．１、０．３７≦Ｙ≦０．４６）からなる歪発光層７を有する発光部２が設けられている。歪発光層７の材質にＡｌＧａＩｎＰを採用することにより、歪発光層７における発光効率を向上することができる。また、歪発光層７の組成を上記範囲に規定することにより、歪発光層７からの発光波長を６５５ｎｍ以上とすることができる。
また、本実施形態のエピウェーハ１０には、発光部２上に歪調整層３が設けられている。この歪調整層３は、発光波長に対して透明であるため、このエピウェーハ１０を用いて発光ダイオード２０を作製した際に、発光部２からの発光を吸収することがない。さらに、この歪調整層３は、ＧａＡｓ基板１の格子定数よりも小さい格子定数を有しているため、このエピウェーハ１０全体の反りの発生を低減することができる。これにより、歪発光層７への欠陥の発生を抑制することができる。
また、本実施形態のエピウェーハ１０によれば、発光波長６５５ｎｍ以上の、高出力・高効率のＬＥＤを量産可能なエピタキシャルウェーハを提供することができる。
以下、本発明の効果を、実施例を用いて具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
本実施例では、本発明に係る発光ダイオード用エピタキシャルウェーハを用いて発光ダイオードを作製した例を具体的に説明する。また、本実施例で作製した発光ダイオードは、ＡｌＧａＩｎＰ発光部を有する赤色発光ダイオードである。本実施例では、ＧａＡｓ基板上にＧａＰからなる歪調整層を含むエピタキシャル成長層を成長させたエピウェーハを作製した。そして、特性評価のために発光ダイオードチップを作製し、ウェーハ面内及びウェーハ間のバラツキを評価した。
（実施例１）
実施例１の発光ダイオードは、先ず、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶からなる半導体基板上に、エピタキシャル成長層を順次積層してエピタキシャルウェーハを作製した。ＧａＡｓ基板は、（１００）面から（０−１−１）方向に１５°傾けた面を成長面とし、キャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３とした。エピタキシャル成長層とは、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓからなる緩衝層、Ｓｉをドープしたｎ型の（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる低抵抗層、Ｓｉをドープしたｎ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる下部クラッド層、アンドープのＧａ０．４４Ｉｎ０．５６Ｐ／（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）０．５Ｉｎ０．５Ｐの対からなる歪発光層／バリア層、Ｍｇをドープしたｐ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる上部クラッド層、（Ａｌ０．6Ｇａ０．4）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる薄膜の中間層、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる歪調整層である。
実施例１の発光ダイオードは、先ず、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓ単結晶からなる半導体基板上に、エピタキシャル成長層を順次積層してエピタキシャルウェーハを作製した。ＧａＡｓ基板は、（１００）面から（０−１−１）方向に１５°傾けた面を成長面とし、キャリア濃度を２×１０１８ｃｍ−３とした。エピタキシャル成長層とは、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓからなる緩衝層、Ｓｉをドープしたｎ型の（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる低抵抗層、Ｓｉをドープしたｎ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる下部クラッド層、アンドープのＧａ０．４４Ｉｎ０．５６Ｐ／（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）０．５Ｉｎ０．５Ｐの対からなる歪発光層／バリア層、Ｍｇをドープしたｐ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる上部クラッド層、（Ａｌ０．6Ｇａ０．4）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる薄膜の中間層、Ｍｇドープしたｐ型ＧａＰからなる歪調整層である。
本実施例では、減圧有機金属化学気相堆積装置法（ＭＯＣＶＤ装置）を用い、直径７６ｍｍ、厚さ３５０μｍのＧａＡｓ基板１８枚を同時に成長させて、エピタキシャルウェーハを形成した。エピタキシャル成長層を成長させる際、ＩＩＩ族構成元素の原料としては、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ３）３Ａｌ）、トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）及びトリメチルインジウム（（ＣＨ３）３Ｉｎ）を使用した。また、Ｍｇのドーピング原料としては、ビスシクロペンタジエチルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ５Ｈ５）２Ｍｇ）を使用した。また、Ｓｉのドーピング原料としては、ジシラン（Ｓｉ２Ｈ６）を使用した。また、Ｖ族構成元素の原料としては、ホスフィン（ＰＨ３）、アルシン（ＡｓＨ３）を使用した。また、各層の成長温度としては、ｐ型ＧａＰからなる歪調整層は、７７０℃で成長させた。その他の各層では６８０℃で成長させた。
ＧａＡｓからなる緩衝層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。低抵抗層は、キャリア濃度を約３×１０１８ｃｍ−３、層厚を約３μｍとした。下部クラッド層は、キャリア濃度を約２×１０１８ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。歪発光層は、アンドープで層厚が約１７ｎｍのＧａ０．４４Ｉｎ０．５６Ｐとし、バリア層はアンドープで層厚が約１９ｎｍの（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）０．５Ｉｎ０．５Ｐとした。また、歪発光層とバリア層とを交互に２２対積層した。上部クラッド層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．５μｍとした。中間層は、キャリア濃度を約８×１０１７ｃｍ−３、層厚を約０．０５μｍとした。ＧａＰからなる歪調整層は、キャリア濃度を約３×１０１８ｃｍ−３、層厚を約９μｍとした。
次に、エピウェーハの厚さを２５０μｍにするため、ＧａＡｓ基板を削って厚さを調整した。
次に、エピタキシャル成長層を構成するＧａＰからなる歪調整層の表面に、ＡｕＢｅを０．２μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法で成膜した。その後、一般的なフォトリソグラフィー手段を利用してパターニングを施し、直径１００μｍの円形のｐ型オーミック電極を形成した。
次に、ＧａＡｓ基板の裏面に、ＡｕＧｅ、Ｎｉ合金を０．５μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法を用いてｎ形オーミック電極を形成した。
次に、ＧａＡｓ基板の裏面に、ＡｕＧｅ、Ｎｉ合金を０．５μｍ、Ａｕを１μｍとなるように真空蒸着法を用いてｎ形オーミック電極を形成した。
その後、４５０℃で１０分間熱処理を行って合金化し、低抵抗のｐ型およびｎ型オーミック電極を形成した。
次に、ダイシングソーを用いて、３５０μｍ間隔でＧａＡｓ基板を切断し、チップ化した。ダイシングによる破砕層および汚れを硫酸・過酸化水素混合液でエッチング除去して、実施例１の発光ダイオードを作製した。
上記の様にして作製した実施例１の発光ダイオードチップを均等にサンプリングし、マウント基板上に実装した発光ダイオードランプを各ウェーハ１７個×１８枚＝３０６個を組み立てた。
この発光ダイオードの特性および均一性を評価した結果を表１に示す。表１に示すように、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長６６０．４ｎｍとする赤色光が出射された。順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約２．０ボルト（Ｖ）となった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、４ｍＷであった。組み立てたすべての発光ダイオードチップにおけるピーク波長のバラツキ（最大−最小）は、２．１ｎｍとなった。
（実施例２）
実施例２の発光ダイオードは、実施例１の発光ダイオードにおける歪発光層及びバリア層の構成だけを変更したものである。ここで、実施例２の発光ダイオードは、上記実施例１における歪発光層をアンドープで層厚が約１０ｎｍのＧａ０．４２Ｉｎ０．５８Ｐに変更し、上記実施例１におけるバリア層をアンドープで層厚が約３０ｎｍの（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）０．５Ｉｎ０．５Ｐに変更し、歪発光層とバリア層とを交互に２０対積層した。
実施例２の発光ダイオードは、実施例１の発光ダイオードにおける歪発光層及びバリア層の構成だけを変更したものである。ここで、実施例２の発光ダイオードは、上記実施例１における歪発光層をアンドープで層厚が約１０ｎｍのＧａ０．４２Ｉｎ０．５８Ｐに変更し、上記実施例１におけるバリア層をアンドープで層厚が約３０ｎｍの（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）０．５Ｉｎ０．５Ｐに変更し、歪発光層とバリア層とを交互に２０対積層した。
実施例２の発光ダイオードを実装した発光ダイオードランプの特性および均一性を評価した結果を表１に示す。表１に示すように、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長を６６０．５ｎｍとする赤色光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約２．０ボルト（Ｖ）となった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、３．６ｍＷであった。組み立てたすべての発光ダイオードランプにおけるピーク波長のバラツキは、２．３ｎｍとなった。
（実施例３）
実施例３の発光ダイオードは、実施例２の発光ダイオードにおける歪発光層の構成だけを変更したものである。ここで、実施例３の発光ダイオードは、上記実施例２における歪発光層をアンドープで層厚が約１５ｎｍのＧａ０．４１Ｉｎ０．５９Ｐに変更した。
実施例３の発光ダイオードは、実施例２の発光ダイオードにおける歪発光層の構成だけを変更したものである。ここで、実施例３の発光ダイオードは、上記実施例２における歪発光層をアンドープで層厚が約１５ｎｍのＧａ０．４１Ｉｎ０．５９Ｐに変更した。
実施例３の発光ダイオードを実装した発光ダイオードランプの特性および均一性を評価した結果を表１に示す。表１に示すように、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長を６６８．０ｎｍとする赤色光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約２．０ボルト（Ｖ）となった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、３．７ｍＷであった。組み立てたすべての発光ダイオードランプにおけるピーク波長のバラツキは、２．２ｎｍとなった。
（実施例４）
実施例４の発光ダイオードは、実施例２の発光ダイオードにおける歪発光層の構成だけを変更したものである。ここで、実施例４の発光ダイオードは、上記実施例２における井戸層をアンドープで層厚が約２５ｎｍのＧａ０．４５Ｉｎ０．５５Ｐに変更した。
実施例４の発光ダイオードは、実施例２の発光ダイオードにおける歪発光層の構成だけを変更したものである。ここで、実施例４の発光ダイオードは、上記実施例２における井戸層をアンドープで層厚が約２５ｎｍのＧａ０．４５Ｉｎ０．５５Ｐに変更した。
実施例４の発光ダイオードを実装した発光ダイオードランプの特性および均一性を評価した結果を表１に示す。表１に示すように、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長を６５６．０ｎｍとする赤色光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約２．０ボルト（Ｖ）となった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、４．０ｍＷであった。組み立てたすべての発光ダイオードランプにおけるピーク波長のバラツキは、２．１ｎｍとなった。
（実施例５）
実施例５の発光ダイオードは、実施例２の発光ダイオードにおける歪発光層の構成だけを変更したものである。ここで、実施例５の発光ダイオードは、上記実施例２における歪発光層をアンドープで層厚が約１０ｎｍのＧａ０．３９Ｉｎ０．６１Ｐに変更した。
実施例５の発光ダイオードは、実施例２の発光ダイオードにおける歪発光層の構成だけを変更したものである。ここで、実施例５の発光ダイオードは、上記実施例２における歪発光層をアンドープで層厚が約１０ｎｍのＧａ０．３９Ｉｎ０．６１Ｐに変更した。
実施例５の発光ダイオードを実装した発光ダイオードランプの特性および均一性を評価した結果を表１に示す。表１に示すように、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長を６７０．０ｎｍとする赤色光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約２．０ボルト（Ｖ）となった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、３．８ｍＷであった。組み立てたすべての発光ダイオードランプにおけるピーク波長のバラツキは、２．８ｎｍとなった。
（比較例１）
比較例１の発光ダイオードは、実施例２の発光ダイオードにおける表面層を歪のない層に変更したものである。ここで、比較例１の発光ダイオードは、上記実施例２における歪調整層を（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層に変更した。
比較例１の発光ダイオードは、実施例２の発光ダイオードにおける表面層を歪のない層に変更したものである。ここで、比較例１の発光ダイオードは、上記実施例２における歪調整層を（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５Ｉｎ０．５Ｐ層に変更した。
比較例１の発光ダイオードを実装した発光ダイオードランプの特性および均一性を評価した結果を表１に示す。表１に示すように、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長を６６０ｎｍとする赤色光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約２．０ボルト（Ｖ）となった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、２．５ｍＷであった。組み立てたすべての発光ダイオードランプにおけるピーク波長のバラツキは、７．３ｎｍとなった。発光波長分布が大きく、特性を満足することができなかった。
（比較例２）
比較例２の発光ダイオードは、実施例２の発光ダイオードにおける歪発光層の構成だけを変更したものである。ここで、比較例２の発光ダイオードは、上記実施例１における歪発光層をアンドープで層厚が約５ｎｍのＧａ０．３８Ｉｎ０．６２Ｐに変更した。
比較例２の発光ダイオードは、実施例２の発光ダイオードにおける歪発光層の構成だけを変更したものである。ここで、比較例２の発光ダイオードは、上記実施例１における歪発光層をアンドープで層厚が約５ｎｍのＧａ０．３８Ｉｎ０．６２Ｐに変更した。
比較例２の発光ダイオードを実装した発光ダイオードランプの特性および均一性を評価した結果を表１に示す。表１に示すように、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長を６５１．５ｎｍとする赤色光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約２．０ボルト（Ｖ）となった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、３．１ｍＷであった。組み立てたすべての発光ダイオードランプにおけるピーク波長のバラツキは、４．３ｎｍとなった。量子効果によって発光波長が６５５ｎｍ未満となり、特性を満足することができなかった。
（比較例３）
比較例３の発光ダイオードは、実施例２の発光ダイオードにおける歪発光層の構成だけを変更したものである。ここで、比較例３の発光ダイオードは、上記実施例２における歪発光層の組成をＧａ０．３７Ｉｎ０．６３Ｐに変更した。
比較例３の発光ダイオードは、実施例２の発光ダイオードにおける歪発光層の構成だけを変更したものである。ここで、比較例３の発光ダイオードは、上記実施例２における歪発光層の組成をＧａ０．３７Ｉｎ０．６３Ｐに変更した。
比較例３で作製したエピタキシャルウェーハにおいて、ｐ型ＧａＰからなる歪調整層の表面には歪発光層の組成に起因する結晶欠陥（ハッチング）が発生していた。
比較例３の発光ダイオードを実装した発光ダイオードランプの特性および均一性を評価した結果を表１に示す。表１に示すように、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長を６７７．７ｎｍとする赤色光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約２．３ボルト（Ｖ）となった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、１．３ｍＷであった。組み立てたすべての発光ダイオードランプにおけるピーク波長のバラツキは、３．９ｎｍとなった。上述した歪調整層の欠陥の発生により発光出力が低く、特性を満足することができなかった。
（比較例４）
比較例４の発光ダイオードは、実施例１の発光ダイオードにおける歪発光層の構成だけを変更したものである。ここで、比較例４の発光ダイオードは、上記実施例１における歪発光層の組成をＧａ０．４８Ｉｎ０．５２Ｐに変更した。
比較例４の発光ダイオードは、実施例１の発光ダイオードにおける歪発光層の構成だけを変更したものである。ここで、比較例４の発光ダイオードは、上記実施例１における歪発光層の組成をＧａ０．４８Ｉｎ０．５２Ｐに変更した。
比較例４の発光ダイオードを実装した発光ダイオードランプの特性および均一性を評価した結果を表１に示す。表１に示すように、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長を６４７．７ｎｍとする赤色光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約２．０ボルト（Ｖ）となった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、３．３ｍＷであった。組み立てたすべての発光ダイオードランプにおけるピーク波長のバラツキは、２．５ｎｍとなった。発光波長が６５５ｎｍ未満となり、特性を満足することができなかった。
（比較例５）
比較例５の発光ダイオードは、実施例２の発光ダイオードにおける歪発光層及びバリア層の構成だけを変更したものである。ここで、比較例５の発光ダイオードは、上記実施例２における歪発光層をアンドープで層厚が約３０ｎｍのＧａ０．４４Ｉｎ０．５６Ｐに変更し、上記実施例１におけるバリア層をアンドープで層厚が約３０ｎｍの（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）０．５Ｉｎ０．５Ｐに変更し、歪発光層とバリア層とを交互に１２対積層した。
比較例５の発光ダイオードは、実施例２の発光ダイオードにおける歪発光層及びバリア層の構成だけを変更したものである。ここで、比較例５の発光ダイオードは、上記実施例２における歪発光層をアンドープで層厚が約３０ｎｍのＧａ０．４４Ｉｎ０．５６Ｐに変更し、上記実施例１におけるバリア層をアンドープで層厚が約３０ｎｍの（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）０．５Ｉｎ０．５Ｐに変更し、歪発光層とバリア層とを交互に１２対積層した。
比較例５で作製したエピタキシャルウェーハにおいて、ｐ型ＧａＰからなる歪調整層の表面には歪発光層の組成に起因する結晶欠陥（ハッチング）が発生していた。
比較例５の発光ダイオードを実装した結果を表１に示す。表１に示すように、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長を６６８．５ｎｍとする赤色光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約２．３ボルト（Ｖ）となった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、１．１ｍＷであった。組み立てたすべての発光ダイオードランプにおけるピーク波長のバラツキは、３．７ｎｍとなった。欠陥の発生により発光出力が低く、特性を満足することができなかった。
（比較例６）
比較例６の発光ダイオードは、従来技術である液相エピタキシャル法で形成した。ＧａＡｓ基板にＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ発光層とし、上下クラッド層をＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓとするダブルヘテロ構造の発光部を有する発光ダイオードに変更したものである。
比較例６の発光ダイオードは、従来技術である液相エピタキシャル法で形成した。ＧａＡｓ基板にＡｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ発光層とし、上下クラッド層をＡｌ０．７Ｇａ０．３Ａｓとするダブルヘテロ構造の発光部を有する発光ダイオードに変更したものである。
比較例６の発光ダイオードを実装した結果を表１に示す。表１に示すように、ｎ型及びｐ型オーミック電極間に電流を流したところ、ピーク波長を６６０．７ｎｍとする赤色光が出射された。また、順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の電流を通流した際の順方向電圧（Ｖｆ）は、約１．９ボルト（Ｖ）となった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の発光出力は、１．２ｍＷであった。組み立てたすべての発光ダイオードランプにおけるピーク波長のバラツキは、７．２ｎｍとなった。出力が低く、発光波長分布が大きく特性を満足することができなかった。
本発明の発光ダイオードはＡｌＧａＩｎＰからなる発光層において、発光波長６５５ｎｍ以上の長波長で高効率の発光を達成し、均一性に優れる生産性の高い発光ダイオード用エピウェーハである。本発明は、植物育成用途や、表示、通信、センサ用光源など、従来ＡｌＧａＡｓ系のＬＥＤでは、出力不足で、対応できなかった各種の用途に利用できる。
１・・・ＧａＡｓ基板
２・・・発光部
３・・・歪調整層
４・・・緩衝層
５・・・下部クラッド層
６・・・上部クラッド層
７・・・歪発光層
８・・・バリア層
９Ａ，９Ｂ・・・オーミック電極
１０・・・発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ（エピウェーハ）
２０・・・発光ダイオード
２・・・発光部
３・・・歪調整層
４・・・緩衝層
５・・・下部クラッド層
６・・・上部クラッド層
７・・・歪発光層
８・・・バリア層
９Ａ，９Ｂ・・・オーミック電極
１０・・・発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ（エピウェーハ）
２０・・・発光ダイオード
Claims (15)
- ＧａＡｓ基板と、前記ＧａＡｓ基板上に設けられたｐｎ接合型の発光部と、前記発光部上に設けられた歪調整層とを備え、
前記発光部は、組成式（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦０．１、０．３７≦Ｙ≦０．４６）からなる歪発光層を有し、
前記歪調整層は、発光波長に対して透明であると共に前記ＧａＡｓ基板の格子定数よりも小さい格子定数を有することを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。 - 前記歪発光層の組成式が、ＧａＸＩｎ１−XＰ（０．３７≦Ｘ≦０．４６）であることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
- 前記歪発光層の厚さが、８〜３０ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
- 前記歪調整層の組成式が、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１、０．６≦Ｙ≦１）であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
- 前記歪調整層の組成式が、ＡｌＸＧａ１−ＸＡｓ１−ＹＰＹ（０≦Ｘ≦１、０．６≦Ｙ≦１）であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
- 前記歪調整層が、ＧａＰであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
- 前記歪調整層の厚さが、０．５〜２０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
- 前記発光部は、前記歪発光層とバリア層との積層構造を有しており、
前記歪発光層が８〜４０層含まれていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。 - 前記バリア層の組成式が、（ＡｌＸＧａ1-Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．３≦Ｘ≦０．７、０．４９≦Ｙ≦０．５２）であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
- 前記発光部の上面及び下面の一方又は両方にクラッド層を備え、
前記クラッド層の組成式が（ＡｌＸＧａ1-Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．５≦Ｘ≦１、０．４８≦Ｙ≦０．５２）であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。 - 前記ＧａＡｓ基板の面方位の範囲が、（１００）方向から（０−１−１）方向に１５°オフ±５°であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
- 前記ＧａＡｓ基板の直径が、７５ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
- 反り量が、２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１２に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
- 植物育成の光合成の促進に使用する発光ダイオード用エピタキシャルウェーハであって、
前記歪発光層のピーク発光波長が、６５５〜６７５ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。 - 前記歪発光層の発光波長７００ｎｍにおける発光強度が、前記ピーク発光波長における発光強度の１０％未満であることを特徴とする請求項１４に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
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