JP2012018986A - 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】ピーク発光波長が６５５ｎｍ以上で、かつ信頼性を向上させることが可能な発光ダイオード用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ｐｎ接合型の発光部２と、を備えた発光ダイオード用エピタキシャルウェーハであって、発光部２は、歪発光層と、バリア層とが交互に積層された積層構造とされており、バリア層の組成式を（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．３≦Ｘ≦０．７、０．５１≦Ｙ≦０．５４）とする。
【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。
この範囲の波長に対して、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発光波長は、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を砒化ガリウム（ＧａＡｓ）単結晶基板上に形成した場合、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（例えば、特許文献６参照）。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。
特開平９−３７６４８号公報 特開２００２−２７８３１号公報 特開２００４−２２１０４２号公報 特開２００１−２７４４５４号公報 特開２０００−１５１０２４号公報 特許第３３７３５６１号公報
ところで、植物育成用の照明に適する６６０ｎｍの波長帯のＬＥＤとして、従来のＡｌＧaＡｓからなる発光層を用いた場合、発光出力が不足しているため、高発光効率化されたＬＥＤが実現できない。
一方、発光効率の高い（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦１，０＜Ｙ≦１）よりなる発光層をＬＥＤに適用した場合、６５０ｎｍ以上の長波長化において、ＬＥＤ用の歪発光層に特有の技術課題が存在するため、信頼性の高いＬＥＤを実現することが困難である。
特に、６５５ｎｍ以上の長波長では、歪発光層の歪を制御した、信頼性の高いＬＥＤを製造することは困難であった。
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、特に、発光波長が６５５ｎｍ以上において、信頼性の高いＬＥＤを製造可能な発光ダイオード用エピタキシャルウェーハを提供することを目的とする。
（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、を備え、前記発光部は、歪発光層と、バリア層とが交互に積層された積層構造とされており、前記バリア層の組成式が、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．３≦Ｘ≦０．７、０．５１≦Ｙ≦０．５４）であ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） 前記バリア層の厚さが、３５〜５０ｎｍであることを特徴とする前項（１）記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（３） 前記歪発光層の組成式が、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦０．１、０．３５≦Ｙ≦０．４６）であることを特徴とする前項（１）または（２）記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（４） 前記歪発光層の厚さが、８〜３８ｎｍの範囲であることを特徴とする前項（１）乃至（３）のうち、いずれか１項記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（５） 前記発光部上に、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歪調整層を設けたことを特徴とする前項（１）乃至（４）のうち、いずれか１項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（５）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（５）記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（８） 前記歪調整層が、ＧａＰ層であることを特徴とする前項（５）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（５）乃至（８）のうち、いずれか１項記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１０） 前記発光部は、８〜４０層の前記歪発光層を含むことを特徴とする前項（１）乃至（９）のうち、いずれか１項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、０．０．４８≦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１項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（１１）のうち、いずれか１項記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１３） 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（１２）のうち、いずれか１項記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１４） 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。
（１５） 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、６５５〜６８５ｎｍの範囲であることを特徴とする前項（２）乃至（１４）のうち、いずれか１項記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
（１６） 前記歪発光層の発光波長７００ｎｍにおける発光強度は、前記ピーク発光波長の発光強度の１０％未満であることを特徴とする前項（１５）に記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
本発明の一観点によれば、ＧａＡｓ基板上に設けられたｐｎ接合型の発光部を、歪発光層と、バリア層とが交互に積層された積層構造とし、かつバリア層の組成式を（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．３≦Ｘ≦０．７、０．５１≦Ｙ≦０．５４）にすることにより、バリア層に歪発光層とは逆の歪み（引張り歪み）を形成することが可能となる。
これにより、歪発光層のＹ組成を０．３７付近まで小さくすることが可能となるので、歪発光層のピーク発光波長を６５５ｎｍ以上にすることができる。
また、バリア層に歪発光層とは逆の歪み（引張り歪み）を形成することで、該バリア層により、歪発光層の歪みを緩和することが可能となる。
これにより、歪発光層の内部における結晶欠陥の発生が抑制されるため、発光ダイオード用エピタキシャルウェーハに製造されるＬＥＤの信頼性を向上できる。
本発明の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を示す断面模式図である。 本発明の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発光部を示す断面模式図である。 本発明の一実施形態である発光ダイオードを示す平面図である。 図３に示す発光ダイオードのＡ−Ａ’線に沿った断面模式図である。 本発明の一実施形態である発光ダイオードの発光スペクトルを示す図である。
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。
なお、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。また、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」という）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、及び歪調整層３が順次積層された素子構造を有する。
なお、本実施形態では、以下の説明において、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が積層された素子構造をエピタキシャル成長層という場合がある。
上記素子構造には、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てもよい。
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、エピ成長しやすい、（１００）面及び（１００）面から、±２０°以内にオフした範囲が品質の安定性の観点からのぞましい。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の導電型は、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に基づき、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、ＧａＡｓ基板１の基板サイズが直径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。
図２は、本発明の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発光部を示す断面模式図である。
図２を参照するに、発光部２は、歪発光層７（「井戸層」、或いは「ウェル（ｗｅｌｌ）層」ともいう）と、バリア層８（「障壁層」ともいう）とが交互に積層された積層構造体とされており、その両端には歪発光層７が配置されている。
発光部２の層厚は、０．０５〜２μｍの範囲であることが好ましい。また、発光部２の導電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、或いは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の組成式は、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦０．１、０．３５≦Ｙ≦０．４６）とされている。
歪発光層７の層厚（単層の厚さ）が約８ｎｍ未満の薄膜である場合、井戸構造の量子効果により発光波長が短くなり、所望とする６５５ｎｍ以上の波長が得られなくなる。
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、歪発光層７の層厚の制御の容易さを考慮すれば、１０ｎｍ以上の厚さが好適である。
バリア層８の組成式は、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．３≦Ｘ≦０．７、０．５１≦Ｙ≦０．５４）とされている。
このように、発光部２の構成を、歪発光層７と、バリア層８とを交互に積層した積層構造とし、かつバリア層８の組成式を（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．３≦Ｘ≦０．７、０．５１≦Ｙ≦０．５４）にすることにより、バリア層８に歪発光層７とは逆の歪み（引張り歪み）を形成することが可能となる。
これにより、歪発光層７のＹ組成を０．３７付近まで小さくすることが可能となるので、歪発光層の７ピーク発光波長を６５５ｎｍ以上にすることができる。
また、バリア層８に歪発光層７とは逆の歪み（引張り歪み）を形成することで、バリア層８により、歪発光層７の歪みを緩和することが可能となる。
これにより、歪発光層７の内部における結晶欠陥の発生が抑制されるため、エピウェーハ１０（発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ）に製造されるＬＥＤの信頼性を向上できる。
バリア層８の層厚（単層の厚さ）は、歪発光層７の層厚（単層の厚さ）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の厚さは、３５〜５０ｎｍの範囲内で設定されている。つまり、バリア層８は、一般的なバリア層の厚さよりも厚くなるように構成されている。
このように、また、発光部２の構成を、歪発光層７と、バリア層８とを交互に積層した積層構造とし、かつバリア層８の組成式を（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．３≦Ｘ≦０．７、０．５１≦Ｙ≦０．５４）にすると共に、バリア層８の厚さを３５〜５０ｎｍの範囲内で設定することにより、バリア層８により、さらに歪発光層７の歪を緩和することが可能となるため、歪発光層７のＹ組成の値を０．３５付近まで小さくすることが可能となる。
これにより、歪発光層７のピーク発光波長を６５５〜６８５ｎｍにすることができると共に、歪発光層７の内部における結晶欠陥の発生がさらに抑制されるため、エピウェーハ１０（発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ）に製造されるＬＥＤの信頼性をさらに向上できる。
また、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、やブラッグ反射等の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。
なお、一般的には、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が、本実施の形態では、バリア層８に歪発光層７とは逆の歪み（引張り歪み）を形成し、またバリア層８の厚さを厚く（３５〜５０ｎｍの範囲内で設定）しているため、歪発光層７の層厚を８〜３８ｎｍの範囲にすることができる。
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。
図３は、本発明の一実施形態である発光ダイオードを示す平面図であり、図４は、図３に示す発光ダイオードのＡ−Ａ’線に沿った断面模式図である。
図３及び図４を参照するに、歪発光層７は、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６５５〜６８５ｎｍ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。
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層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。
歪調整層３の層厚が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。
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の材質として、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、上部クラッド層６の層厚は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、上部クラッド層６（及び歪調整層３）の極性は、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。
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、及び歪調整層３より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、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層を用いる場合は、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。
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。
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、オーミック電極９Ａ，９Ｂがｎ型電極の場合、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。
図５は、本発明の一実施形態である発光ダイオードの発光スペクトルを示す図である。
図５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。
本実施形態のエピウェーハ１０によれば、発光部２の構成を、歪発光層７と、バリア層８とを交互に積層した積層構造とし、かつバリア層８の組成式を（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．３≦Ｘ≦０．７、０．５１≦Ｙ≦０．５４）にすることにより、バリア層８に歪発光層７とは逆の歪み（引張り歪み）を形成することが可能となる。
これにより、歪発光層７のＹ組成を０．３７付近まで小さくすることが可能となるので、歪発光層の７ピーク発光波長を６５５ｎｍ以上にすることができる。
また、バリア層８に歪発光層７とは逆の歪み（引張り歪み）を形成することで、バリア層８により、歪発光層７の歪みを緩和することが可能となる。
これにより、歪発光層７の内部における結晶欠陥の発生が抑制されるため、エピウェーハ１０（発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ）に製造されるＬＥＤの信頼性を向上させることができる。
また、発光部２の構成を、歪発光層７と、バリア層８とを交互に積層した積層構造とし、かつバリア層８の組成式を（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．３≦Ｘ≦０．７、０．５１≦Ｙ≦０．５４）にすると共に、バリア層８の厚さを３５〜５０ｎｍの範囲内で設定することにより、バリア層８により、さらに歪発光層７の歪を緩和することが可能となるため、歪発光層７のＹ組成の値を０．３５まで小さくすることが可能となる。
これにより、歪発光層７のピーク発光波長を６５５〜６８５ｎｍにすることができると共に、歪発光層７の内部における結晶欠陥の発生がさらに抑制されるため、エピウェーハ１０（発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ）に製造されるＬＥＤの信頼性をさらに向上させることができる。
さらに、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。ｎ型の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して、ｎ型のＧａＡｓ基板上に、Ｓｉをドープしたｎ型のＧａＡｓからなる緩衝層と、Ｓｉをドープしたｎ型の（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる低抵抗層と、Ｓｉをドープしたｎ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる下部クラッド層と、歪発光層であるアンドープのＧａ０．４２Ｉｎ０．５８Ｐ、及びバリア層であるアンドープの（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐが交互に積層された発光部と、Ｍｇをドープしたｐ型のＡｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐからなる上部クラッド層と、薄膜の中間層である（Ａｌ０．6Ｇａ０．4）０．５Ｉｎ０．５Ｐと、歪調整層であるＭｇドープしたｐ型ＧａＰと、を順次形成した。
また、歪発光層の単層の厚さを１０ｎｍ、歪発光層の層数を２１層、バリア層の厚さを４５ｎｍ、バリア層の層数を２０層とした。
実施例１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。
Ｍｇのドーピング原料としては、ビスシクロペンタジエニルマグネシウム（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よりなる歪調整層は、７７０℃で成長させ、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１０ｎｍのＧａ０．４２Ｉｎ０．５８Ｐとし、バリア層はアンドープで層厚が約４５ｎｍの（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐとした。また、歪発光層とバリア層とを交互に２０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よりなる歪調整層は、キャリア濃度を約３×１０１８ｃｍ−３、層厚を約９μｍとした。
次いで、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、真空蒸着法により、エピタキシャル成長層を構成するＧａＰよりなる歪調整層の表面に、厚さ０．２μｍのＡｕＢｅ膜と、厚さ１μｍのＡｕ膜とを順次成膜した。その後、一般的なフォトリソグラフィー技術により形成されたマスクを介したエッチングにより、ＡｕＢｅ膜及びＡｕ膜をパターニングすることで、直径１００μｍの円形のｐ型オーミック電極を形成した。その後、上記マスクを除去した。
次に、真空蒸着法により、ＧａＡｓ基板の裏面に、０．５μｍのＡｕＧｅ／Ｎｉ合金積層膜と、１μｍのＡｕ膜とを順次積層し、その後、ＡｕＧｅ／Ｎｉ合金積層膜及びＡｕ膜をパターニングすることで、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させることで、ｐ型及びｎ型オーミック電極を低抵抗化した。
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及び汚れを硫酸・過酸化水素混合液でエッチング除去することで、実施例１の発光ダイオードを作製した。
上記作製した実施例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。
実施例１の発光ダイオードについて、表面欠陥の有無、平均波長の数値、ピーク発光波長の基板面内のばらつき、及び通電試験前後の出力比について評価した。これらの結果を表１に示す。なお、表１には、後述する実施例２〜１６、及び比較例１〜６の評価結果も示す。
表面欠陥の有無については、ＧａＡｓ基板を切断する前に評価した。また、表面欠陥は集光灯による目視及び光学顕微鏡で検査した。通電試験は、発光ダイオードに１００ｍＡの電流を２０時間通電する前後において、それぞれ輝度を測定し、その後、通電後の輝度を通電前の輝度で割り算し、割り算した値に１００を掛けた値（これが通電試験前後の出力比（％））で数値化した。
また、上記ピーク発光波長の基板面内のばらつきは、３ｎｍ以内であればよく、また、通電試験前後の出力比は、９０％以上であればよい。また、ピーク発光波長の基板面内のばらつきは、３ｎｍ以下であればよく、出力は、３ｍＷ以上であればよい。
表１に示すように、実施例１の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６６０．８ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつき（最大−最小）が２．４ｎｍと小さく、出力が３．９ｍＷで、かつ通電試験前後の出力比が１００％という良好な結果が得られた。
（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設けられた歪発光層の替わりに、歪発光層としてアンドープのＧａ０．３６Ｉｎ０．６４Ｐを形成した以外は、実施例１の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、実施例１の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６８１．５ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつきが２．６ｎｍと小さく、出力が３．５ｍＷで、かつ通電試験前後の出力比が９８％という良好な結果が得られた。
（実施例３）
実施例３の発光ダイオードは、実施例１の発光ダイオードに設けられた歪発光層の替わりに、歪発光層としてアンドープのＧａ０．３５Ｉｎ０．６５Ｐを形成すると共に、実施例１の発光ダイオードに設けられたバリア層の替わりにアンドープの（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）０．５４Ｉｎ０．４６Ｐを形成した以外は、実施例１の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、実施例３の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６８５．３ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつきが２．５ｎｍと小さく、出力が３．１ｍＷで、かつ通電試験前後の出力比が９８％という良好な結果が得られた。
（実施例４）
実施例４の発光ダイオードは、実施例１の発光ダイオードに設けられたバリア層の替わりに、厚さ３０ｎｍのアンドープのＧａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐを形成した以外は、実施例１の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、実施例４の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６６０．７ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつきが２．２ｎｍと小さく、出力が３．６ｍＷで、かつ通電試験前後の出力比が９２％という良好な結果が得られた。
（実施例５）
実施例５の発光ダイオードは、実施例４の発光ダイオードに設けられた歪発光層の替わりに、歪発光層としてアンドープのＧａ０．３９Ｉｎ０．６１Ｐを形成した以外は、実施例４の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、実施例５の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６７０．１ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつきが２．７ｎｍと小さく、出力が３．８ｍＷで、かつ通電試験前後の出力比が９１％という良好な結果が得られた。
（実施例６）
実施例６の発光ダイオードは、実施例４の発光ダイオードに設けられた歪発光層の替わりに、歪発光層としてアンドープのＧａ０．３７Ｉｎ０．６３Ｐを形成すると共に、実施例４の発光ダイオードに設けられたバリア層の替わりにアンドープの（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）０．５４Ｉｎ０．４６Ｐを形成した以外は、実施例４の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、実施例６の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６７８．０ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつきが２．７ｎｍと小さく、出力が３．３ｍＷで、かつ通電試験前後の出力比が９８％という良好な結果が得られた。
（実施例７）
実施例７の発光ダイオードは、実施例１の発光ダイオードに設けられた歪発光層の替わりに、歪発光層として厚さ１７ｎｍのアンドープのＧａ０．４４Ｉｎ０．５６Ｐを２３層形成すると共に、実施例１の発光ダイオードに設けられたバリア層の厚さを３８ｎｍ、バリア層の積層数を２２にした以外は、実施例１の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、実施例７の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６６１．０ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつきが２ｎｍと小さく、出力が４ｍＷで、かつ通電試験前後の出力比が９８％という良好な結果が得られた。
（実施例８）
実施例８の発光ダイオードは、実施例７の発光ダイオードに設けられた歪発光層の替わりに、歪発光層としてアンドープのＧａ０．４Ｉｎ０．６Ｐを形成した以外は、実施例７の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、実施例８の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６７３．５ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつきが２．１ｎｍと小さく、出力が３．８ｍＷで、かつ通電試験前後の出力比が９７％という良好な結果が得られた。
（実施例９）
実施例９の発光ダイオードは、実施例８の発光ダイオードに設けられた歪発光層の替わりに、歪発光層としてアンドープのＧａ０．３８Ｉｎ０．６２Ｐを形成すると共に、実施例８の発光ダイオードに設けられたバリア層の厚さ（単層の厚さ）を５０ｎｍに形成した以外は、実施例８の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、実施例９の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６８０．３ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつきが２．３ｎｍと小さく、出力が３．４ｍＷで、かつ通電試験前後の出力比が９７％という良好な結果が得られた。
（実施例１０）
実施例１０の発光ダイオードは、実施例７の発光ダイオードに設けられたバリア層の厚さ（単層の厚さ）を３５ｎｍに形成した以外は、実施例７の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、実施例１０の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６６１．２ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつきが２ｎｍと小さく、出力が３．９ｍＷで、かつ通電試験前後の出力比が９８％という良好な結果が得られた。
（実施例１１）
実施例１１の発光ダイオードは、実施例１０の発光ダイオードに設けられたバリア層の厚さ（単層の厚さ）を１９ｎｍに形成した以外は、実施例１０の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、実施例１１の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６６０．７ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつきが２．１ｎｍと小さく、出力が３．９ｍＷで、かつ通電試験前後の出力比が９０％という良好な結果が得られた。
（実施例１２）
実施例１２の発光ダイオードは、実施例１１の発光ダイオードに設けられた歪発光層の替わりにアンドープのＧａ０．４２Ｉｎ０．５８Ｐを形成した以外は、実施例１１の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、実施例１２の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６６６．３ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつきが２．１ｎｍと小さく、出力が３．８ｍＷで、かつ通電試験前後の出力比が９０％という良好な結果が得られた。
（実施例１３）
実施例１３の発光ダイオードは、実施例４の発光ダイオードに設けられた歪発光層の替わりに、厚さ２５ｎｍのアンドープのＧａ０．４５Ｉｎ０．５５Ｐを形成した以外は、実施例４の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、実施例１３の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６５５．８ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつきが２．２ｎｍと小さく、出力が３．９ｍＷで、かつ通電試験前後の出力比が９８％という良好な結果が得られた。
（実施例１４）
実施例１４の発光ダイオードは、実施例１３の発光ダイオードに設けられた歪発光層の厚さを３０ｎｍにすると共に、バリア層の厚さを５０ｎｍにした以外は、実施例１３の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、実施例１４の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６６５．０ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつきが２．２ｎｍと小さく、出力が３．９ｍＷで、かつ通電試験前後の出力比が９７％という良好な結果が得られた。
（実施例１５）
実施例１５の発光ダイオードは、実施例１４の発光ダイオードに設けられた歪発光層の厚さを３８ｎｍにした以外は、実施例１４の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、実施例１５の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６７１．５ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつきが２ｎｍと小さく、出力が３．８ｍＷで、かつ通電試験前後の出力比が９７％という良好な結果が得られた。
（実施例１６）
実施例１６の発光ダイオードは、実施例９の発光ダイオードに設けられた歪発光層の替わりに、（Ａｌ０．１Ｇａ０．９）０．３８Ｉｎ０．６２Ｐを形成した以外は、実施例９の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、実施例１６の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６６０．５ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつきが２．４ｎｍと小さく、出力が３．６ｍＷで、かつ通電試験前後の出力比が９７％という良好な結果が得られた。
（比較例１）
比較例１の発光ダイオードは、実施例９の発光ダイオードに設けられたバリア層の厚さを５５ｎｍにした以外は、実施例９の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、比較例１の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６７９．８ｎｍで、表面欠陥が無く、基板面内のピーク発光波長のばらつきが２．４ｎｍと小さく、かつ通電試験前後の出力比が９５％という結果が得られた。
しかしながら、出力は、３．０ｍＷよりも低い２．２ｍＷであった。これは、バリア層の厚さが３５〜５０ｎｍの範囲を超えていたため（言い換えれば、バリア層の厚さが厚すぎたため）であると考えられる。
（比較例２）
比較例２の発光ダイオードは、実施例３の発光ダイオードに設けられたバリア層の替わりに、アンドープの（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（バリア層にほとんど歪が入らない組成）を形成した以外は、実施例３の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、比較例２の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６８５ｎｍで、表面欠陥が存在し、基板面内のピーク発光波長のばらつきが３．６ｎｍと大きく、出力が１．５ｍＷと低く、かつ通電試験前後の出力比が７８％という低い結果が得られた。
言い換えれば、表面欠陥検査、基板面内のピーク発光波長のばらつき、出力、及び通電試験前後の出力比において、悪い結果が得られた。これは、バリア層の組成式（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰのＹが０．５１≦Ｙ≦０．５４の範囲外であったため（具体的には、バリア層にほとんど歪が入っていないため）であると考えられる。
（比較例３）
比較例３の発光ダイオードは、比較例２の発光ダイオードに設けられた歪発光層の替わりに、アンドープのＧａ０．３４Ｉｎ０．６６Ｐを形成すると共に、比較例２の発光ダイオードに設けられたバリア層の替わりに、アンドープの（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）０．５５Ｉｎ０．４５Ｐを形成した以外は、比較例２の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、比較例３の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６８８．５ｎｍで、表面欠陥が存在し、基板面内のピーク発光波長のばらつきが３．８ｎｍと大きく、出力が１．４ｍＷと低く、かつ通電試験前後の出力比が８１％という低い結果が得られた。
言い換えれば、表面欠陥検査、基板面内のピーク発光波長のばらつき、出力、及び通電試験前後の出力比において、悪い結果が得られた。これは、これは、バリア層の組成式（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰのＹが０．５１≦Ｙ≦０．５４の範囲外であったためであると考えられる。
（比較例４）
比較例４の発光ダイオードは、実施例６の発光ダイオードに設けられたバリア層の替わりに、アンドープの（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）０．５Ｉｎ０．５Ｐ（バリア層にほとんど歪が入らない組成）を形成した以外は、実施例６の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、比較例４の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６７７．７ｎｍで、表面欠陥が存在し、基板面内のピーク発光波長のばらつきが３．９ｎｍと大きく、出力が１．３ｍＷと低く、かつ通電試験前後の出力比が７５％という低い結果が得られた。
言い換えれば、表面欠陥検査、基板面内のピーク発光波長のばらつき、出力、及び通電試験前後の出力比において、悪い結果が得られた。これは、これは、バリア層の組成式（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰのＹが０．５１≦Ｙ≦０．５４の範囲外であったためであると考えられる。
（比較例５）
比較例５の発光ダイオードは、実施例１６の発光ダイオードに設けられた歪発光層の替わりに、アンドープのＧａ０．４１Ｉｎ０．５９Ｐを形成すると共に、実施例１６の発光ダイオードに設けられたバリア層の替わりに、厚さが１９ｎｍのアンドープの（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）０．５Ｉｎ０．５Ｐを形成した以外は、実施例１６の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、比較例５の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６６９．８ｎｍで、表面欠陥が存在し、基板面内のピーク発光波長のばらつきが３．３ｎｍと大きく、出力が１．３ｍＷと低く、かつ通電試験前後の出力比が７０％という低い結果が得られた。
言い換えれば、表面欠陥検査、基板面内のピーク発光波長のばらつき、出力、及び通電試験前後の出力比において、悪い結果が得られた。これは、これは、バリア層の組成式（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰのＹが０．５１≦Ｙ≦０．５４の範囲外であったためであると考えられる。
（比較例６）
比較例６の発光ダイオードは、実施例１５の発光ダイオードに設けられた歪発光層の厚さを４０ｎｍにすると共に、実施例１５の発光ダイオードに設けられたバリア層の替わりに、アンドープの（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）０．５Ｉｎ０．５Ｐを形成した以外は、実施例１５の発光ダイオードと同様に形成した。
表１に示すように、比較例６の発光ダイオードの場合、ピーク発光波長が６７２．２ｎｍで、表面欠陥が存在し、基板面内のピーク発光波長のばらつきが３．１ｎｍと大きく、出力が１．１ｍＷと低く、かつ通電試験前後の出力比が７２％という低い結果が得られた。
言い換えれば、表面欠陥検査、基板面内のピーク発光波長のばらつき、出力、及び通電試験前後の出力比において、悪い結果が得られた。これは、これは、バリア層の組成式（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰのＹが０．５１≦Ｙ≦０．５４の範囲外であったためであると考えられる。
以上、上記実施例１〜１６、及び比較例１〜６の評価結果から、発光部の構成を、歪発光層と、バリア層とを交互に積層した積層構造とし、かつバリア層の組成式を（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．５１≦Ｙ≦０．５４）にすることで、６５５．８〜６８５．３ｎｍというピーク発光波長を実現できることが確認できた。
また、発光部の構成を、歪発光層と、バリア層とを交互に積層した積層構造とし、かつバリア層の組成式を（Ａｌ０．５３Ｇａ０．４７）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．５１≦Ｙ≦０．５４）にすると共に、バリア層８の厚さを３５〜５０ｎｍの範囲内で設定することにより、歪発光層のピーク発光波長を６６０．５〜６８５．３ｎｍにすることができると共に、エピウェーハ（発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ）に製造されるＬＥＤの信頼性を向上できることが確認できた。
Figure 2012018986
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

Claims (16)

  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、を備え、
    前記発光部は、歪発光層と、バリア層とが交互に積層された積層構造とされており、
    前記バリア層の組成式が、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０．３≦Ｘ≦０．７、０．５１≦Ｙ≦０．５４）であ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. 前記バリア層の厚さが、３５〜５０ｎｍであることを特徴とする請求項１記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
  3. 前記歪発光層の組成式が、（ＡｌＸＧａ１−Ｘ）ＹＩｎ１−ＹＰ（０≦Ｘ≦０．１、０．３５≦Ｙ≦０．４６）であることを特徴とする請求項１または２記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
  4. 前記歪発光層の厚さが、８〜３８ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至３のうち、いずれか１項記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
  5. 前記発光部上に、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歪調整層を設けたことを特徴とする請求項１乃至４のうち、いずれか１項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５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５記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
  8. 前記歪調整層が、ＧａＰ層であることを特徴とする請求項５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５乃至８のうち、いずれか１項記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
  10. 前記発光部は、８〜４０層の前記歪発光層を含むことを特徴とする請求項１乃至９のうち、いずれか１項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、０．０．４８≦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１項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１１のうち、いずれか１項記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
  13. 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１２のうち、いずれか１項記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
  14. 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。
  15. 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、６５５〜６８５ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項２乃至１４のうち、いずれか１項記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェーハ。
  16. 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１５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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