JP2719870B2 - ＧａＰ系発光素子基板及びその製造方法 - Google Patents

ＧａＰ系発光素子基板及びその製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＧａＰ系発光素子基板及
びその製造方法に関し、さらに詳しくは緑色発光するＧ
ａＰ系発光ダイオードを製造する際に用いる基板で複数
のＧａＰ層が積層されたＧａＰ系発光素子基板及びその
製造する方法に関する。
【０００２】
【発明の背景技術】発光ダイオード等の発光素子は、通
常、半導体基板上に更に複数の半導体層を積層してｐｎ
接合を有する多層半導体基板を作製し、これを素子化す
ることにより得られる。このうち、緑色発光する発光ダ
イオードは、ｎ型ＧａＰ単結晶基板上に、ｎ型及びｐ型
ＧａＰ層を各々一層以上順次形成することにより作製し
た発光素子基板を用いて得ることができる。
【０００３】ところで、ＧａＰは間接遷移型半導体であ
り、ｐｎ接合を形成してもそのままでは輝度が極めて低
いため、発光中心となる窒素（Ｎ）をｐｎ接合近傍のｎ
型ＧａＰ層に添加して発光出力を高めている。
【０００４】上記のように窒素ドープされたｎ型ＧａＰ
層を有するＧａＰ系発光素子基板から作製した発光ダイ
オードは、ピーク波長が５６７ｎｍ前後の黄緑色の発光
が得られる。
【０００５】図１は、緑色発光するＧａＰ系発光素子基
板の断面構造の一例を示す。この発光素子基板は、ｎ型
ＧａＰ単結晶基板１０上にｎ型ＧａＰバッファ層１１、
ｎ型ＧａＰ層１２、窒素ドープｎ型ＧａＰ層１３、及び
ｐ型ＧａＰ層１４が順次形成されている。
【０００６】上記のようにｎ型ＧａＰ単結晶基板１０上
に各ＧａＰ層を形成する方法としては、例えば液相エピ
タキシャル成長法がある。この液相エピタキシャル成長
法として、通常、積上げ法又はメルトバック法が採用さ
れる。
【０００７】積上げ法液相エピタキシャル成長法では、
例えば１０６０℃でＧａ融液にＧａＰ多結晶を溶解させ
たＧａ溶液をＧａＰ基板上に配置し、これらを徐々に降
温させ、Ｇａ溶液中のＧａＰを基板上に析出させること
によってＧａＰ層を成長させる。
【０００８】また、メルトバック法液相エピタキシャル
成長法では、ＧａＰ基板上にＧａ融液を配置し、その
後、例えば１０６０℃まで昇温し、ＧａＰ基板の上部を
Ｇａ融液中に溶解させてＧａ溶液とし、次に徐々に降温
し、Ｇａ溶液中のＧａＰをＧａＰ基板上に析出させるこ
とによってＧａＰ層を成長させる。
【０００９】近年、緑色発光するＧａＰ系発光ダイオー
ドの進歩はめざましく、年々発光出力の高いものが開発
されている。そして、そのような高発光出力化に伴い、
ＧａＰ系発光ダイオードの応用範囲は極めて広範囲にわ
たるに至ったが、その応用範囲の一層の拡大を図るため
には、さらなる高発光出力の発光ダイオードの開発が望
まれている。
【００１０】そこで、高発光出力の発光素子製造用発光
素子基板を得るため、例えば特公平２−１８３１９号公
報に記載されているように、上記メルトバック法により
ＧａＰ層を成長させる場合に多層ＧａＰ基板を作製して
これを用いる方法が通例となっている。この方法では、
予めｎ型ＧａＰバッファ層１１をｎ型ＧａＰ単結晶基板
１０上に形成してなる多層ＧａＰ基板を作製し、次のス
テップにおいてメルトバック法を用い、前記多層ＧａＰ
基板上のｎ型ＧａＰバッファ層１１の上部を溶解した後
に再びＧａＰを析出させ、ｎ型ＧａＰ層１２、窒素ドー
プｎ型ＧａＰ層１３及びｐ型ＧａＰ層１４を順次形成さ
せる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記方法を用
いた場合、ｎ型ドーパントとして一般に使用されている
硫黄（Ｓ）が関与すると、Ｓの影響により発光素子の高
発光出力化が達成できないという問題点があった。
【００１２】例えば、ｎ型ＧａＰバッファ層１１の形成
時にｎ型ＧａＰバッファ層１１中のＳ濃度が５×１０16
［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］を超えると、この発光素子基板か
ら作製された発光ダイオードの発光出力が急激に低下し
てしまう。
【００１３】そこで本発明は、ｎ型ドーパントとしての
硫黄濃度が十分低い窒素ドープｎ型ＧａＰ層を含み、高
発光出力を得ることができるＧａＰ系発光素子基板及び
その製造方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本発明のＧａＰ系発光素
子基板は、ｎ型ＧａＰ単結晶基板上にｎ型ＧａＰバッフ
ァ層を形成してなる多層ＧａＰ基板上にさらにｎ型Ｇａ
Ｐ層、窒素ドープｎ型ＧａＰ層及びｐ型ＧａＰ層をメル
トバック法により順次積層してなるＧａＰ系発光素子基
板において、前記ｎ型ＧａＰバッファ層中にドープされ
た硫黄（Ｓ）濃度が５×１０１６［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］
以下としたものである。また、窒素ドープｎ型ＧａＰ層
中の硫黄（Ｓ）濃度はｎ型ＧａＰバッファ層中にドープ
された硫黄（Ｓ）濃度の約半分であることが望ましい。
【００１５】ここで、緑色発光するＧａＰ系発光ダイオ
ードの使用時の順方向電圧の規格（通常は２０ｍＡで
２．３０Ｖ以下）を満足するためには、前記ｎ型ＧａＰ
バッファ層１１のｎ型ドーパント濃度を５×１０
１６［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］以上にする必要がある。この
ため、前記ｎ型ＧａＰバッファ層には、ｎ型ドーパント
としてＳ以外に他のｎ型ドーパントを同時にドープし、
ｎ型ＧａＰバッファ層中のｎ型ドーパント濃度を５×１
０１６〜３×１０１７［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］とするのが
望ましい。また、Ｓとともにドープする他のｎ型ドーパ
ントとしては、例えばテルル（Ｔｅ）が挙げられる。よ
り具体的には、ｎ型ＧａＰバッファ層中のｎ型ドーパン
ト濃度が５×１０ １６ 〜３×１０ １７ ［ａｔｏｍｓ／ｃ
ｃ］であり、窒素ドープｎ型ＧａＰ層中の実効ドナー濃
度が２×１０ １６ ［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］以下であること
が望ましい。
【００１６】なお、ｎ型ドーパントとしてのＳを故意に
ドープしない場合でも、環境下及び原材料に含まれる硫
黄又は硫黄化合物がドーパント源となってＳが自然にｎ
型ＧａＰバッファ層中にドープされている。その濃度
は、上記ドープ源（汚染源）を可能な限り遮断した状態
で、約５×１０16［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］以下である。
【００１７】また、本発明のＧａＰ系発光素子基板の製
造方法は、ｎ型ＧａＰ単結晶基板上にｎ型ＧａＰバッフ
ァ層を形成してなる多層ＧａＰ基板を作製し、次に前記
多層ＧａＰ基板上にｎ型ＧａＰ層、窒素ドープｎ型Ｇａ
Ｐ層及びｐ型ＧａＰ層をメルトバック法により順次積層
してＧａＰ系発光素子基板を製造する方法において、前
記ｎ型ＧａＰバッファ層中にドープされる硫黄（Ｓ）濃
度を５×１０１６［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］以下になるよう
に多層ＧａＰ基板を作製するものである。
【００１８】
【作用】緑色発光するＧａＰ系発光ダイオードの発光出
力を高くするためには、窒素ドープｎ型ＧａＰ層（すな
わち発光領域）の実効ドナー濃度［（ドナー濃度
（ＮD））−（アクセプター濃度（ＮA））］を低く（２
×１０16［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］以下に）する必要があ
る。通常、上記ＮAは１×１０16［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］
程度であるので、ＮDは３×１０16［ａｔｏｍｓ／ｃ
ｃ］以下に相当する。
【００１９】そこで本発明者等は、ｎ型ＧａＰ単結晶基
板上にｎ型ＧａＰバッファ層を形成してなる多層ＧａＰ
基板上にメルトバック法で複数のＧａＰ層を積層して発
光素子基板を製造する方法において、ｎ型ＧａＰバッフ
ァ層が含有するｎ型ドーパントとしてのＳは、その濃度
を大きく減少することなく（約１／２に減少する程
度）、メルトバック法で成長した窒素ドープｎ型ＧａＰ
層に持ち越されることを見出したものである。それに対
し、他のｎ型ドーパント、例えばＴｅの場合、上記工程
を行うことにより、窒素ドープｎ型ＧａＰ層中のＴｅ濃
度はｎ型ＧａＰバッファ層中のＴｅ濃度の約１／５０に
減少する。
【００２０】また、発光領域である窒素ドープｎ型Ｇａ
Ｐ層の実効ドナー濃度［ＮD−ＮA］を２×１０16［ａｔ
ｏｍｓ／ｃｃ］以下（ＮDは３×１０16［ａｔｏｍｓ／
ｃｃ］以下）にして高発光出力用の発光素子基板を製造
するには、ｎ型ＧａＰバッファ層中のＳ濃度を５×１０
16［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］以下にして、ｎ型ドーパントの
総濃度を５×１０16〜３×１０17［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］
にすることが必要であることも見出したものである。
【００２１】
【実施例】以下、本発明のＧａＰ系発光素子基板の製造
方法の実施例について、図２に示す工程図を参照して説
明する。
【００２２】まず、図２（ａ）に示すように、１０６０
℃でＧａＰ多結晶及びｎ型ドーパントとなるＴｅを溶解
させたＧａ溶液１６をｎ型ＧａＰ単結晶基板１０上に配
置する。このＧａ溶液１６は、後述するｎ型ＧａＰバッ
ファ層１１のｎ型ドーパントの総濃度が５×１０16〜３
×１０17［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］となるようにＴｅが添加
されている１０６０℃におけるＧａＰの飽和溶液であ
る。
【００２３】次に、ｎ型ドーパントとなる硫化水素（Ｈ
2Ｓ）をキャリアガスの水素（Ｈ2）とともに流しなが
ら、前記Ｇａ溶液１６を含む系の温度を徐々に降温さ
せ、Ｇａ溶液１６に溶解しているＧａＰをｎ型ＧａＰ単
結晶基板１０上に析出させる。このようにして、Ｔｅ及
びＳがドープされたｎ型ＧａＰバッファ層１１がｎ型Ｇ
ａＰ単結晶基板１０上に形成された多層ＧａＰ基板１５
が作製される（図２（ｂ））。
【００２４】次に、図２（ｃ）に示すように、前記多層
ＧａＰ基板１５上にｎ型ドーパントを添加しないＧａ融
液１７を配置する。この時の温度は６００℃に設定す
る。
【００２５】次に、前記Ｇａ融液１７を含む系の温度を
１０００℃まで昇温させる。すると、ｎ型ＧａＰバッフ
ァ層１１の上部は徐々にＧａ融液１７に溶解して、この
Ｇａ融液１７は１０００℃におけるＧａＰの飽和溶液
（Ｇａ溶液１７ａ）となる。なお、この時、ｎ型ＧａＰ
バッファ層１１中に含まれるＴｅ及びＳも前記Ｇａ溶液
１７ａに溶解する（図２（ｄ））。
【００２６】次に、温度を降温させ、ｎ型ドーパント
（Ｔｅ、Ｓ）がドープされたｎ型ＧａＰ層１２を成長さ
せた後（図２（ｅ））、ＮＨ3をキャリアガスのＨ2とと
もに前記系内に流しながら、さらに温度を降温させてｎ
型ＧａＰ層１２上に窒素（Ｎ）及びｎ型ドーパント（Ｔ
ｅ、Ｓ）がドープされた窒素ドープｎ型ＧａＰ層１３が
形成される（図２（ｆ））。
【００２７】次に、ＮＨ3を流すのをやめ、Ｚｎをセッ
トした系の温度を７００℃程度に昇温させ、引き続き降
温を行う。これにより、ＺｎがキャリアガスのＨ2とと
もに流れ、Ｚｎがドープされたｐ型ＧａＰ層１４が窒素
ドープｎ型ＧａＰ層１３上に形成される（図２
（ｇ））。
【００２８】上記のようにして、ｎ型ＧａＰ単結晶基板
１０上に、ｎ型ＧａＰバッファ層１１、ｎ型ＧａＰ層１
２、窒素ドープｎ型ＧａＰ層１３及びｐ型ＧａＰ層１４
が順次積層された発光素子基板が作製され、この発光素
子基板を素子化することにより緑色発光する発光ダイオ
ードが得られる。
【００２９】図３は、窒素ドープｎ型ＧａＰ層１３（発
光領域）の実効ドナー濃度［ＮD−ＮA］を種々の値にし
てＧａＰ系発光素子基板を製造した場合の、これらから
作製した発光ダイオードの発光出力（相対値）と実効ド
ナー濃度との関係を示したものである。図から分かるよ
うに、高発光出力の緑色発光ＧａＰ系発光ダイオード
（発光出力（相対値）１０以上）を得るには、前記窒素
ドープｎ型ＧａＰ層中の実効ドナー濃度を２×１０
16［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］以下（ＮDが３×１０16［ａｔ
ｏｍｓ／ｃｃ］以下に相当）にする必要がある。
【００３０】図４は、ｎ型ＧａＰバッファ層１１中のＳ
濃度を種々の値にした前記多層ＧａＰ基板１５を用いて
メルトバック法にて発光素子基板を製造した場合の、窒
素ドープｎ型ＧａＰ層１３中のＳ濃度とｎ型ＧａＰバッ
ファ層１１中のＳ濃度との関係を示したものである。な
お、比較のためＴｅの場合も同図に示した。
【００３１】図から分かるように、ｎ型ＧａＰバッファ
層１１中に含有するＳは、その濃度を大きく減少するこ
となく（約１／２に減少する程度）窒素ドープｎ型Ｇａ
Ｐ層１３（発光領域）に持ち越される。それに対し、Ｔ
ｅの場合、窒素ドープｎ型ＧａＰ層１３中のＴｅ濃度は
ｎ型ＧａＰバッファ層１１中のＴｅ濃度の約１／５０に
減少する。（例えば、ｎ型ＧａＰバッファ層１１中のＴ
ｅ濃度が２．５×１０ 17［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］の場合、
窒素ドープｎ型ＧａＰ層１３中のＴｅ濃度は約５×１０
15［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］となる）。そして、窒素ドープ
ｎ型ＧａＰ層１３中のｎ型ドーパントの総濃度、すなわ
ちＮDを３×１０16［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］以下にするに
は、上記ｎ型ＧａＰバッファ層１１中のＳ濃度を５×１
０16［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］以下にして、ｎ型ドーパント
の総濃度（例えば、Ｓ濃度とＴｅ濃度の総和）を５×１
０16〜３×１０17［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］にする必要があ
る。
【００３２】図５は、ｎ型ＧａＰバッファ層１１中のＳ
濃度を種々の値にした前記多層ＧａＰ基板を用いてメル
トバック法にてＧａＰ系発光素子基板を製造した場合
の、これらから作製した発光ダイオードの発光出力（相
対値）とｎ型ＧａＰバッファ層１１中のＳ濃度との関係
を示す。図から分かるように、高発光出力の緑色発光す
るＧａＰ系発光ダイオード（発光出力（相対値）１０以
上）は、前記ｎ型ＧａＰバッファ層１１中のＳ濃度を５
×１０16［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］以下にすることにより達
成できる。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ｎ型ドーパント濃度の十分低い窒素ドープｎ型ＧａＰ層
を含むＧａＰ系発光素子基板を得ることができるので、
この基板を用いて製造した緑色発光ＧａＰ系発光ダイオ
ードは十分高い発光出力が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＧａＰ系発光素子基板の断面構造の一例を示す
断面図である。
【図２】本発明のＧａＰ系発光素子基板の製造方法にお
けるＧａＰ層の成長方法の一実施例を示す工程図であ
る。
【図３】窒素ドープｎ型ＧａＰ層（発光領域）の実効ド
ナー濃度［ＮD−ＮA］を種々の値にしてＧａＰ系発光素
子基板を製造した場合の、これらから作製した発光ダイ
オードの発光出力（相対値）と実効ドナー濃度との関係
を示す図である。
【図４】ｎ型ＧａＰバッファ層中のＳ濃度を種々の値に
した多層ＧａＰ基板を用いてメルトバック法にて発光素
子基板を製造した場合の、窒素ドープｎ型層中のＳ濃度
とｎ型ＧａＰバッファ層中のＳ濃度との関係を示す図で
ある。
【図５】ｎ型ＧａＰバッファ層中のＳ濃度を種々の値に
した多層ＧａＰ基板を用いてメルトバック法にてＧａＰ
系発光素子基板を製造した場合の、これらから作製した
発光ダイオードの発光出力（相対値）とｎ型ＧａＰバッ
ファ層中のＳ濃度との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０ ｎ型ＧａＰ単結晶基板 １１ ｎ型ＧａＰバッファ層 １２ ｎ型ＧａＰ層 １３ 窒素ドープｎ型ＧａＰ層 １４ ｐ型ＧａＰ層 １５ 多層ＧａＰ基板 １６ Ｇａ溶液 １７ Ｇａ融液 １７ａ Ｇａ溶液
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柳澤 宗久 群馬県安中市磯部２丁目13番１号 信越 半導体株式会社 磯部工場内 (72)発明者 樋口 晋 群馬県安中市磯部２丁目13番１号 信越 半導体株式会社 磯部工場内 (56)参考文献 特開 昭54−53974（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ｎ型ＧａＰ単結晶基板上にｎ型ＧａＰバ
    ッファ層を形成してなる多層ＧａＰ基板上にさらにｎ型
    ＧａＰ層、窒素ドープｎ型ＧａＰ層及びｐ型ＧａＰ層を
    メルトバック法により順次積層してなるＧａＰ系発光素
    子基板において、前記ｎ型ＧａＰバッファ層中にドープ
    された硫黄（Ｓ）濃度が５×１０１６［ａｔｏｍｓ／ｃ
    ｃ］以下であることを特徴とするＧａＰ系発光素子基
    板。
  2. 【請求項２】 前記窒素ドープｎ型ＧａＰ層中の硫黄
    （Ｓ）濃度が前記ｎ型ＧａＰバッファ層中にドープされ
    た硫黄（Ｓ）濃度の約半分である請求項１に記載ＱａＰ
    系発光素子基板。
  3. 【請求項３】 前記ｎ型ＧａＰバッファ層は前記硫黄
    （Ｓ）以外に他のｎ型ドーパントがドープされており、
    前記ｎ型ＧａＰバッファ層中のｎ型ドーパント濃度が５
    ×１０ １６ 〜３×１０ １７ ［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］である
    請求項１に記載のＧａＰ系発光素子基板。
  4. 【請求項４】 前記ｎ型ＧａＰバッファ層中のｎ型ドー
    パント濃度が５×１０ １６ 〜３×１０ １７ ［ａｔｏｍｓ
    ／ｃｃ］であり、前記窒素ドープｎ型ＧａＰ層中の実効
    ドナー濃度が２×１０ １６ ［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］以下で
    あることを特徴とする請求項１に記載のＧａＰ系発光素
    子基板。
  5. 【請求項５】 ｎ型ＧａＰ単結晶基板上にｎ型ＧａＰバ
    ッファ層を形成してなる多層ＧａＰ基板を作製し、次に
    前記多層ＧａＰ基板上にｎ型ＧａＰ層、窒素ドープｎ型
    ＧａＰ層及びｐ型ＧａＰ層をメルトバック法により順次
    積層してＧａＰ系発光素子基板を製造する方法におい
    て、前記ｎ型ＧａＰバッファ層中にドープされる硫黄
    （Ｓ）濃度を５×１０ １６ ［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］以下と
    することを特徴とするＧａＰ系発光素子基板の製造方
    法。
  6. 【請求項６】 前記ｎ型ＧａＰバッファ層に硫黄（Ｓ）
    以外に他のｎ型ドーパントを同時にドープし、前記ｎ型
    ＧａＰバッファ層中のｎ型ドーパント濃度を５×１０
    １６ 〜３×１０ １７ ［ａｔｏｍｓ／ｃｃ］とするもので
    ある請求項３に記載のＧａＰ系発光素子基板の製造方
    法。
JP28526592A 1992-09-30 1992-09-30 ＧａＰ系発光素子基板及びその製造方法 Expired - Lifetime JP2719870B2 (ja)

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JP28526592A JP2719870B2 (ja) 1992-09-30 1992-09-30 ＧａＰ系発光素子基板及びその製造方法
DE69313573T DE69313573T2 (de) 1992-09-30 1993-09-29 Verfahren zur Herstellung eines GaP lichtemittierenden Elementes
EP93115751A EP0590649B1 (en) 1992-09-30 1993-09-29 Method of manufacturing a GaP light emitting element
US08/358,977 US5643827A (en) 1992-09-30 1994-12-19 GaP light emitting substrate and a method of manufacturing it

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