JP3042566B2 - GaP系発光素子基板の製造方法 - Google Patents

GaP系発光素子基板の製造方法

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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系発光素子基板の
製造方法に関し、さらに詳しくは緑色発光するGaP系
発光素子を製造する際に用いる複数のGaP層が積層さ
れたGaP系発光素子基板の製造方法に関する。
【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
ることによって得られる。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
のGaP層を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】上記のようにn型GaP単結晶基板(又は
その上に予めn型GaPエピタキシャル層を形成してな
る多層GaP基板)上にGaP層を形成する方法として
は、液相エピタキシャル成長法が採用される。この液相
エピタキシャル成長法では、例えば1000℃でGa融
液にGaP多結晶を溶解させた溶液を前記基板上に配置
し、これらを徐々に降温させてGa溶液中のGaPを基
板上に析出させてGaP層を成長させる。
【0004】また、n型GaP単結晶基板(又はその上
に予めn型GaPエピタキシャル成長層を形成してなる
多層GaP基板)上にGa融液を配置し、その後、例え
ば1000℃まで昇温して、前記基板の上部をGa融液
中に溶解させ、次に降温してGaPを基板上に析出させ
る方法もある。このような方法はメルトバック法と呼ば
れる。
【0005】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)がpn接合近傍のn
型GaP層に添加される。詳細は実施例の項で説明する
が、この窒素濃度が高いほど輝度は高くなる。
【0006】具体的には、n型GaP層の成長時にアン
モニア(NH3)をキャリアガス(例えば水素(H2))
及びドーパント源(例えば硫化水素(H2S)等)とと
もに炉内に流すことにより、N原子がn型GaP層内に
取込まれる。
【0007】上記のようにして窒素ドープされたn型G
aP層を有する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前後のやや黄色がかった
緑色の発光が得られる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従来の方法により製造
されたGaP系発光素子基板は、pn接合近傍の窒素濃
度を十分高くできないため、これを用いて作製した緑色
発光するGaP系発光素子では十分高い輝度が得られな
いという問題があった。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の液相エピタキシ
ャル成長法は、n型GaP基板の一主面に接するように
GaPエピタキシャル成長用Ga溶液を配置し、液相エ
ピタキシャル成長法によりn型GaP層を前記n型Ga
P基板の前記一主面上に成長させる工程を含む、GaP
系発光素子基板を製造する方法において、窒素ドープを
行いながらn型GaP層を0.6(μm/分)以上の成
長速度で成長させるようにした。
【0010】前記成長速度を得る具体的条件としては、
例えばGaPエピタキシャル成長用Ga溶液の厚さを
1.7mm以上とし、エピタキシャル成長用Ga溶液を
含む系を2.5(℃/分)以上の降温速度で降温させな
がら前記n型GaP層を成長させる。
【0011】n型GaP基板としては、n型GaP単結
晶基板そのものを用いてもよいし、n型GaP単結晶基
板の一主面上に予めn型GaP層を形成させた多層Ga
P基板を用いてもよい。また、GaPエピタキシャル成
長用Ga溶液としては、Ga融液中にGaP多結晶を溶
解させたGa溶液を用いてもよいし、前記メルトバック
法のようにGa融液中に前記n型GaP基板の上部を溶
解させたGa溶液を用いてもよい。
【0012】窒素ドープの方法は、NH3をGaPエピ
タキシャル成長用Ga溶液の周囲に流しながら行う。
【0013】
【作用】前述のように、緑色発光するGaP系発光素子
の輝度を高くするには、n型GaP層のpn接合近傍の
窒素濃度を高くすればよい。
【0014】本発明者等は、窒素ドープしながらn型G
aP層を成長させる場合に、その成長速度が大きければ
大きいほどn型GaP層の窒素濃度が高くなることを見
出した。そこで本発明では、n型GaP層を成長させる
際に、その成長速度を所定の速度以上で行うことにより
成長層の窒素濃度を高めている。具体的には0.6(μ
m/分)以上の成長速度で行う。
【0015】この成長速度を大きくするには、エピタキ
シャル成長用Ga溶液の降温速度を大きくするか、又
は、エピタキシャル成長用Ga溶液の厚さを大きくすれ
ばよい。しかし、エピタキシャル成長用Ga溶液の降温
速度は成長を行う炉の性能に依存するので、現実には降
温速度を大幅に大きくすることは困難である。
【0016】そこで、エピタキシャル成長用Ga溶液を
厚くする方法が最も効果的であることが分かる。すなわ
ち、降温速度を一般的な値である2.5℃/分とした場
合、エピタキシャル成長用Ga溶液の厚さを1.7mm
以上とするのが好ましい。
【0017】
【実施例】以下、本発明の実施例について、メルトバッ
ク法を用いた場合を例にとり、添付図面を参照しながら
説明する。図1は、本実施例の方法において用いる装置
を示す。
【0018】本装置では、炉心管12内にGaPエピタ
キシャル成長を行うボート13が配置される。このボー
ト13には所定の凹部19が複数個設けられ、この凹部
19の底部に、n型GaPバッファ層21がn型GaP
単結晶基板20上に形成されてなる多層GaP基板16
が固定され、さらに凹部19に厚さLのエピタキシャル
成長用Ga融液(又はGa溶液)17が満たされてい
る。ボート13上部には孔15を有するスライド14が
設けられている。なお、図では一箇所の凹部19のみを
示し、他を省略する。
【0019】炉心管12の一方の端部付近には、p型ド
ーパントとなるZn18が配置されている。炉心管12
の外周部には、多層GaP基板16及びGa融液(又は
溶液)17等を昇降温するためのメイン炉10とZn1
8を昇降温するためのサブ炉11とが設けられている。
炉心管12のZn18が配置された側の端部の開口部か
らはNH3やn型ドーパント源となるH2S等がキャリア
ガス(例えばH2)とともに炉心管12内に供給され
る。
【0020】次に、上記装置を用い、メルトバック法に
よるエピタキシャル成長層の成長方法の実施例について
図2を参照しながら説明する。図2はその工程図であ
り、図1中の多層GaP基板16及びGa融液(又は溶
液)17を含む系のみを示している。
【0021】まず、図2(a)に示すように、n型Ga
P単結晶基板20上にn型GaPバッファ層21が形成
された多層GaP基板16の上部にGa融液17を配置
する。このときの温度は、例えばメイン炉10は600
℃に、サブ炉11はそれより十分低い温度に設定する。
【0022】次に、メイン炉10の温度を1000℃程
度まで昇温させる。すると、n型GaPバッファ層21
の上部は徐々にGa融液17中に溶解し、Ga融液はこ
の温度におけるGaPの飽和溶液となる(図2
(b))。
【0023】次に、NH3及びn型ドーパントとなるH2
SをキャリアガスのH2とともに炉内に流しながら、前
記濃度で150分以上にホールドした後、メイン炉10
の温度を例えば2.5℃/分の降温速度で降温させ、G
a溶液17中に溶解しているGaPをn型GaPバッフ
ァ層21上に析出させる。このようにして窒素及び硫黄
(S)がドープされたn型GaP層22が形成される
(図2(c))。
【0024】次に、NH3及びH2Sを流すのをやめ、サ
ブ炉11の温度を例えば700℃程度に昇温させ、引き
続きメイン炉10の降温を行う。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23がn型GaP層22上に形成される(図
2(d))。
【0025】上記のようにして、GaP基板上に窒素ド
ープされたn型GaP層及びp型GaP層が順次積層さ
れた発光素子基板が得られる。この基板のGaP単結晶
基板側にn電極を、p型GaP層側にp電極をそれぞれ
形成し、ダイシングした後、支持体にボンディングし、
さらにエポキシ等で封止することにより、緑色発光する
発光ダイオードが得られる。
【0026】図3は、n型GaP層の窒素濃度を種々の
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輝度(相対値)と前記
窒素濃度との関係を示したものである。図から分かるよ
うに、前記n型GaP層中の窒素濃度が高いほど発光素
子の輝度は高くなり、高輝度の緑色発光するGaP系発
光素子(輝度(相対値)10以上)を得るには、前記窒
素ドープn型GaP層中の窒素濃度を5×1018ato
ms/cc以上にすることが必要である。
【0027】図4は、窒素ドープn型GaP層の成長速
度を種々の値にしてGaP系発光素子基板を製造し、そ
の成長速度と前記n型GaP層中の窒素濃度の関係を示
したものである。図から分かるように、成長速度が大き
ければ大きいほどn型GaP層中に取り込まれる窒素の
濃度が高くなり、成長速度を0.6μm/cc以上にす
ることにより、その窒素濃度を5×1018atoms/
cc以上にすることができる。これにより、高輝度、す
なわち輝度(相対値)10以上の緑色発光GaP系発光
素子が得られる。
【0028】次に、窒素ドープn型GaP層の成長速度
を0.6μm/分以上にする方法を図5を用いて説明す
る。図5は、エピタキシャル成長用Ga溶液の厚さL
(図2)が種々の場合の、炉の降温速度と前記n型Ga
P層の成長速度との関係を示す。図から、n型GaP層
の成長速度を大きくするには、Ga溶液の厚さLを大き
くするか、又は炉の降温速度、すなわちGa溶液を含む
系の降温速度を大きくすればよいことが分かる。
【0029】ここで、前記n型GaP層の成長速度を
0.6μm/分以上にするためには、図5に示す成長速
度が0.6μm/分以上になる成長条件、例えば、炉の
降温速度を2.5℃/分とした場合、Ga溶液の厚さL
を1.7mm以上の成長条件でn型GaP層の成長をす
ればよい。これにより、窒素濃度5×1018atoms
/cc以上の窒素ドープn型GaP層が得られる。
【0030】しかし、窒素濃度が1×1019atoms
/cc以上になると、pn接合近傍で生じた光が窒素ド
ープn型GaP層を通過する間に吸収される率が高くな
って輝度の低下を招くので、窒素濃度が1×1019at
oms/cc以上になる成長条件を用いることは好まし
くない。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
窒素濃度の十分大きな窒素ドープn型GaP層を含むG
aP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系発光素子は、十分高
い輝度が得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の方法で使用する装置の構成
を示す構成図である。
【図2】本発明の一実施例の方法を説明する工程図であ
る。
【図3】本発明の一実施例の方法において、n型GaP
層中の窒素濃度と輝度との関係を示す図である。
【図4】本発明の一実施例の方法において、n型GaP
層の成長速度とn型GaP層中の窒素濃度との関係を示
す図である。
【図5】本発明の一実施例の方法において、炉の降温速
度とn型GaP層の成長速度との関係を示す図である。
【符号の説明】
10 メイン炉 11 サブ炉 12 炉心管 13 ボート 14 スライド 15 孔 16 多層GaP基板 17 Ga融液 18 Zn 19 凹部 20 n型GaP単結晶基板 21 n型GaPバッファ層 22 n型GaP層 23 p型GaP層
フロントページの続き (72)発明者 田村 雄輝 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54−111759(JP,A) 特開 昭53−61287(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 33/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 n型GaP基板の一主面に接するように
    GaPエピタキシャル成長用Ga溶液を配置し、液相エ
    ピタキシャル成長法によりn型GaP層を前記n型Ga
    P基板の前記一主面上に成長させる工程を含む、GaP
    系発光素子基板の製造方法において、窒素ドープを行い
    ながら前記n型GaP層を0.6(μm/分)以上の成
    長速度で成長させることを特徴とするGaP系発光素子
    基板の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記GaPエピタキシャル成長用Ga溶
    液の厚さを1.7mm以上とし、前記n型GaP層を成
    長させる、請求項1に記載のGaP系発光素子基板の製
    造方法。
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