JP3341564B2 - 化合物半導体エピタキシャルウエーハ - Google Patents
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-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
-
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- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、化合物半導体エピ
タキシャルウエーハ及びその製造方法関するものであ
り、とりわけ所定の混晶率の燐化砒化ガリウムＧａＡｓ
z Ｐ1-z （但し０≦ｚ≦１）を有する化合物半導体ウエ
ーハエピタキシャルウエーハに関するものである。
タキシャルウエーハ及びその製造方法関するものであ
り、とりわけ所定の混晶率の燐化砒化ガリウムＧａＡｓ
z Ｐ1-z （但し０≦ｚ≦１）を有する化合物半導体ウエ
ーハエピタキシャルウエーハに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、赤色発光ダイオードをはじめ、橙
色や黄色発光ダイオードには、燐化ガリウムＧａＰもし
くは砒化ガリウムＧａＡｓの単結晶基板上に燐化砒化ガ
リウムＧａＡｓz Ｐ1-z （但し０≦ｚ≦１）のエピタキ
シャル層を形成したエピタキシャルウエーハが適用され
ている。
色や黄色発光ダイオードには、燐化ガリウムＧａＰもし
くは砒化ガリウムＧａＡｓの単結晶基板上に燐化砒化ガ
リウムＧａＡｓz Ｐ1-z （但し０≦ｚ≦１）のエピタキ
シャル層を形成したエピタキシャルウエーハが適用され
ている。
【０００３】ところで、燐化ガリウムＧａＰもしくは砒
化ガリウムＧａＡｓといった基板を構成する単結晶と、
基板上に形成される、ある一定以上の混晶率を持つＧａ
Ａｓz Ｐ1-z エピタキシャル層との格子不整合が大きい
場合、ミスフィット転位が界面に発生し格子不整合によ
る歪みを緩和する。しかし、この転位が組成一定層に伝
播すると、発光ダイオードの発光効率を低下させる原因
となる。
化ガリウムＧａＡｓといった基板を構成する単結晶と、
基板上に形成される、ある一定以上の混晶率を持つＧａ
Ａｓz Ｐ1-z エピタキシャル層との格子不整合が大きい
場合、ミスフィット転位が界面に発生し格子不整合によ
る歪みを緩和する。しかし、この転位が組成一定層に伝
播すると、発光ダイオードの発光効率を低下させる原因
となる。
【０００４】こうした格子不整合を緩和させるために、
従来、単結晶基板と組成一定層との間に混晶率を徐々に
変化させた混晶率変化層をインターフェースとして設け
る構成が適用されている。これは、混晶率変化層内の混
晶率を、単結晶基板の混晶率から始めて層厚に沿って組
成一定層の所定混晶率まで徐々になだらかに増加させる
ものである。しかしその結果、格子不整合による応力が
エピタキシャル層全体に徐々に蓄積され、より大きな応
力となってミスフィット転位が組成一定層に発生し、ラ
イフタイムの低下や輝度の低下を引き起こしてしまう。
従来、単結晶基板と組成一定層との間に混晶率を徐々に
変化させた混晶率変化層をインターフェースとして設け
る構成が適用されている。これは、混晶率変化層内の混
晶率を、単結晶基板の混晶率から始めて層厚に沿って組
成一定層の所定混晶率まで徐々になだらかに増加させる
ものである。しかしその結果、格子不整合による応力が
エピタキシャル層全体に徐々に蓄積され、より大きな応
力となってミスフィット転位が組成一定層に発生し、ラ
イフタイムの低下や輝度の低下を引き起こしてしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】そこで従来より、ミス
フィット転位が組成一定層に伝播すること、及び格子不
整合による応力がエピタキシャル層全体に及ぶことの２
点を解決する新たなエピタキシャルウエーハの開発が期
待されていた。本発明は、従来技術の有する前記のよう
な課題や欠点を解決するためになされたもので、その目
的は、高輝度、高品質であり、しかも生産性の高い化合
物半導体エピタキシャルウエーハを提供することにあ
る。
フィット転位が組成一定層に伝播すること、及び格子不
整合による応力がエピタキシャル層全体に及ぶことの２
点を解決する新たなエピタキシャルウエーハの開発が期
待されていた。本発明は、従来技術の有する前記のよう
な課題や欠点を解決するためになされたもので、その目
的は、高輝度、高品質であり、しかも生産性の高い化合
物半導体エピタキシャルウエーハを提供することにあ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは上記問題点
を解消するために、ミスフィット転位が組成一定層に伝
播することを防止し、かつエピタキシャル層内に生じる
格子不整合による応力をより効果的に除去する研究を重
ねた。その結果、従来常識的に知られていたように混晶
率の変化率を低く、よってなだらかな組成変化とする方
法ではなく、従来とはむしろ逆に、急激な混晶率変化を
与え、さらに、その直後に、混晶率を比較的なだらかに
若干戻すように減少させつつ層形成させると良いことを
見い出した。
を解消するために、ミスフィット転位が組成一定層に伝
播することを防止し、かつエピタキシャル層内に生じる
格子不整合による応力をより効果的に除去する研究を重
ねた。その結果、従来常識的に知られていたように混晶
率の変化率を低く、よってなだらかな組成変化とする方
法ではなく、従来とはむしろ逆に、急激な混晶率変化を
与え、さらに、その直後に、混晶率を比較的なだらかに
若干戻すように減少させつつ層形成させると良いことを
見い出した。
【０００７】即ち、本発明者らは、層厚方向に分布蓄積
される格子不整合による応力を局所毎に緩和するために
層厚方向の適宜位置で混晶率を急激に変化させるととも
に、その直後に混晶率をなだらかに若干戻すことにより
結晶品質の低下を防止すること及び急激に混晶率を変化
させた部分を反射層とし、基板方向に透過していた光を
上方に戻すことで輝度向上を図ることを着想した。した
がって本発明者らは、前記の新知見に基づき、以下に示
すような化合物半導体エピタキシャルウエーハを開発し
たものである。
される格子不整合による応力を局所毎に緩和するために
層厚方向の適宜位置で混晶率を急激に変化させるととも
に、その直後に混晶率をなだらかに若干戻すことにより
結晶品質の低下を防止すること及び急激に混晶率を変化
させた部分を反射層とし、基板方向に透過していた光を
上方に戻すことで輝度向上を図ることを着想した。した
がって本発明者らは、前記の新知見に基づき、以下に示
すような化合物半導体エピタキシャルウエーハを開発し
たものである。
【０００８】つまり、前記目的を実現するための本発明
に係る化合物半導体エピタキシャルウエーハは、燐化ガ
リウムＧａＰあるいは砒化ガリウムＧａＡｓからなる化
合物半導体単結晶の基板上に、基板を構成しない第Ｖ族
元素の混晶率ｘあるいはｙが層厚の増大に伴って０乃至
１の範囲内で変化する、燐化砒化ガリウムＧａＡｓxＰ
1-x あるいはＧａＡｓ1-y Ｐy からなる混晶率変化層が
形成され、さらに該混晶率変化層の上層に基板を構成し
ない第Ｖ族元素の所定混晶率がａあるいはｂ（但し０＜
ａ≦１、０＜ｂ≦１）である燐化砒化ガリウムＧａＡｓ
a Ｐ1-a あるいはＧａＡｓ1-b Ｐb からなる組成一定層
が形成されてなる化合物半導体エピタキシャルウエーハ
において、前記混晶率変化層内には、該混晶率変化層厚
さの増大に伴い混晶率ｘあるいはｙを増加させる組成増
加部と、該組成増加部に続き混晶率ｘあるいはｙを減少
させる結晶質安定化部とから成る組合わせが少なくとも
１組層厚方向に分布して形成され、前記組成増加部にお
ける混晶率ｘあるいはｙの増加率は、成長層１μｍの増
大に対し０．１乃至２０であり、かつ前記結晶質安定化
部における混晶率ｘあるいはｙの減少率が、成長層１μ
ｍの増大に対し０．００５乃至０．０５であることを特
徴とする。
に係る化合物半導体エピタキシャルウエーハは、燐化ガ
リウムＧａＰあるいは砒化ガリウムＧａＡｓからなる化
合物半導体単結晶の基板上に、基板を構成しない第Ｖ族
元素の混晶率ｘあるいはｙが層厚の増大に伴って０乃至
１の範囲内で変化する、燐化砒化ガリウムＧａＡｓxＰ
1-x あるいはＧａＡｓ1-y Ｐy からなる混晶率変化層が
形成され、さらに該混晶率変化層の上層に基板を構成し
ない第Ｖ族元素の所定混晶率がａあるいはｂ（但し０＜
ａ≦１、０＜ｂ≦１）である燐化砒化ガリウムＧａＡｓ
a Ｐ1-a あるいはＧａＡｓ1-b Ｐb からなる組成一定層
が形成されてなる化合物半導体エピタキシャルウエーハ
において、前記混晶率変化層内には、該混晶率変化層厚
さの増大に伴い混晶率ｘあるいはｙを増加させる組成増
加部と、該組成増加部に続き混晶率ｘあるいはｙを減少
させる結晶質安定化部とから成る組合わせが少なくとも
１組層厚方向に分布して形成され、前記組成増加部にお
ける混晶率ｘあるいはｙの増加率は、成長層１μｍの増
大に対し０．１乃至２０であり、かつ前記結晶質安定化
部における混晶率ｘあるいはｙの減少率が、成長層１μ
ｍの増大に対し０．００５乃至０．０５であることを特
徴とする。
【０００９】あるいは、前記組成増加部における混晶率
ｘあるいはｙの増加率が、成長層１μｍの増大に対し
０．５乃至５であることを特徴とする。
ｘあるいはｙの増加率が、成長層１μｍの増大に対し
０．５乃至５であることを特徴とする。
【００１０】あるいは、前記各組成増加部における混晶
率ｘあるいはｙの増加分が、１組あたり０．０５乃至
０．２５であることを特徴とする。
率ｘあるいはｙの増加分が、１組あたり０．０５乃至
０．２５であることを特徴とする。
【００１１】あるいは、前記各組成増加部を形成する膜
厚を増加幅とし、また前記組成増加部に続く各結晶質安
定化部を形成する膜厚を安定化幅とするとき、前記増加
幅と前記安定化幅との和が１乃至１０μｍであることを
特徴とする。
厚を増加幅とし、また前記組成増加部に続く各結晶質安
定化部を形成する膜厚を安定化幅とするとき、前記増加
幅と前記安定化幅との和が１乃至１０μｍであることを
特徴とする。
【００１２】あるいは、前記混晶率ｘあるいはｙは、前
記混晶率変化層内において前記所定混晶率ａあるいはｂ
を超えることがないことを特徴とする。
記混晶率変化層内において前記所定混晶率ａあるいはｂ
を超えることがないことを特徴とする。
【００１３】あるいは、前記結晶質安定化部において、
直前の組成増加部における混晶率の増加分が相殺されな
い範囲内で前記混晶率ｘあるいはｙを減少させてなるこ
とを特徴とする。
直前の組成増加部における混晶率の増加分が相殺されな
い範囲内で前記混晶率ｘあるいはｙを減少させてなるこ
とを特徴とする。
【００１４】あるいは、前記混晶率変化層の最上層近傍
に、前記混晶率ｘあるいはｙを前記所定混晶率ａあるい
はｂまで増加させる組成調整部が形成されていることを
特徴とする。
に、前記混晶率ｘあるいはｙを前記所定混晶率ａあるい
はｂまで増加させる組成調整部が形成されていることを
特徴とする。
【００１５】本発明に係る化合物半導体エピタキシャル
ウエーハは、混晶率変化層内で、混晶率が大きな増加率
で急峻に増加し、それに続いて混晶率が比較的なだらか
に減少する組合わせが少なくとも１回、層厚方向に分布
して形成される。この混晶率の急峻な増加となだらかな
減少の組合わせが、格子定数の不整合により発生し、層
厚方向に分布する応力を局所毎に緩和するので高品質な
エピタキシャルウエーハを実現するとともに、混晶率の
急激な増加により混晶率変化層を薄層化する。その結
果、層厚に依存する発光した光の再吸収が抑制され、ま
た急激な混晶率の増加層が反射層として寄与するので基
板方向に透過していた発光した光をエピ方向に戻して取
り出し効率を上げることで輝度の向上が実現される。さ
らに、混晶率変化層の薄膜化により、生産性の向上が達
成できる。
ウエーハは、混晶率変化層内で、混晶率が大きな増加率
で急峻に増加し、それに続いて混晶率が比較的なだらか
に減少する組合わせが少なくとも１回、層厚方向に分布
して形成される。この混晶率の急峻な増加となだらかな
減少の組合わせが、格子定数の不整合により発生し、層
厚方向に分布する応力を局所毎に緩和するので高品質な
エピタキシャルウエーハを実現するとともに、混晶率の
急激な増加により混晶率変化層を薄層化する。その結
果、層厚に依存する発光した光の再吸収が抑制され、ま
た急激な混晶率の増加層が反射層として寄与するので基
板方向に透過していた発光した光をエピ方向に戻して取
り出し効率を上げることで輝度の向上が実現される。さ
らに、混晶率変化層の薄膜化により、生産性の向上が達
成できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る化合物半導体
エピタキシャルウエーハについて添付図面に基づいて説
明する。図１は、本発明に係る発光ダイオード用化合物
半導体エピタキシャルウエーハの一実施形態の構成を説
明する模式断面図である。さらに図２は、図１に示され
たエピタキシャル層の、成膜厚さに対する混晶率のプロ
ファイルを説明する模式図である。
エピタキシャルウエーハについて添付図面に基づいて説
明する。図１は、本発明に係る発光ダイオード用化合物
半導体エピタキシャルウエーハの一実施形態の構成を説
明する模式断面図である。さらに図２は、図１に示され
たエピタキシャル層の、成膜厚さに対する混晶率のプロ
ファイルを説明する模式図である。
【００１７】図１に示されるように、本発明に係る化合
物半導体エピタキシャルウエーハ１は、燐化ガリウムＧ
ａＰの単結晶基板２上に、燐化ガリウムＧａＰエピタキ
シャル層３が形成され、次にこの燐化ガリウムＧａＰエ
ピタキシャル層３上に、基板を構成しない周期律表第Ｖ
族元素である砒素の混晶率ｘが層厚方向に変化（増加あ
るいは減少）する燐化砒化ガリウムＧａＡｓx Ｐ1-x の
混晶率変化層４が形成され、さらにこの燐化砒化ガリウ
ムＧａＡｓx Ｐ1-x 混晶率変化層４に接して上に、一定
の混晶率ａ（０＜ａ≦１）を有する燐化砒化ガリウムＧ
ａＡｓa Ｐ1-aからなる組成一定層５が形成されて成
る。
物半導体エピタキシャルウエーハ１は、燐化ガリウムＧ
ａＰの単結晶基板２上に、燐化ガリウムＧａＰエピタキ
シャル層３が形成され、次にこの燐化ガリウムＧａＰエ
ピタキシャル層３上に、基板を構成しない周期律表第Ｖ
族元素である砒素の混晶率ｘが層厚方向に変化（増加あ
るいは減少）する燐化砒化ガリウムＧａＡｓx Ｐ1-x の
混晶率変化層４が形成され、さらにこの燐化砒化ガリウ
ムＧａＡｓx Ｐ1-x 混晶率変化層４に接して上に、一定
の混晶率ａ（０＜ａ≦１）を有する燐化砒化ガリウムＧ
ａＡｓa Ｐ1-aからなる組成一定層５が形成されて成
る。
【００１８】続いて、このヘテロ構造のエピタキシャル
ウエーハ１上に、一定の混晶率ａを有し、窒素Ｎをドー
プした燐化砒化ガリウムＧａＡｓa Ｐ1-a からなる組成
一定層６と、さらに亜鉛Ｚｎを拡散したｐ型の拡散層７
とを形成することにより、発光部位であるｐ−ｎ接合を
形成する。最後に、電極を取り付けた後適当なサイズに
裁断し、パッケージに封入して発光ダイオードが完成す
る。
ウエーハ１上に、一定の混晶率ａを有し、窒素Ｎをドー
プした燐化砒化ガリウムＧａＡｓa Ｐ1-a からなる組成
一定層６と、さらに亜鉛Ｚｎを拡散したｐ型の拡散層７
とを形成することにより、発光部位であるｐ−ｎ接合を
形成する。最後に、電極を取り付けた後適当なサイズに
裁断し、パッケージに封入して発光ダイオードが完成す
る。
【００１９】以上は単結晶基板が燐化ガリウムＧａＰの
場合であるが、砒化ガリウムＧａＡｓ基板についても同
様にして適用可能である。この場合は、燐Ｐの混晶率ｙ
が層厚方向に変化（増加あるいは減少）する燐化砒化ガ
リウムＧａＡｓ1-y Ｐy の混晶率変化層が形成され、さ
らにこの混晶率変化層に接して上に、一定値の混晶率ｂ
（０＜ｂ≦１）を有する燐化砒化ガリウムＧａＡｓ1-b
Ｐb からなる組成一定層５が形成される。
場合であるが、砒化ガリウムＧａＡｓ基板についても同
様にして適用可能である。この場合は、燐Ｐの混晶率ｙ
が層厚方向に変化（増加あるいは減少）する燐化砒化ガ
リウムＧａＡｓ1-y Ｐy の混晶率変化層が形成され、さ
らにこの混晶率変化層に接して上に、一定値の混晶率ｂ
（０＜ｂ≦１）を有する燐化砒化ガリウムＧａＡｓ1-b
Ｐb からなる組成一定層５が形成される。
【００２０】つぎに図２に示された、この発光ダイオー
ド用エピタキシャルウエーハ１の成膜厚さに対する混晶
率のプロファイルに基づいて、本発明に係る化合物半導
体エピタキシャルウエーハの製造方法を説明する。な
お、以下では燐化ガリウムＧａＰの単結晶基板を用いた
例を説明するが、砒化ガリウムＧａＡｓについても同様
に説明できる。
ド用エピタキシャルウエーハ１の成膜厚さに対する混晶
率のプロファイルに基づいて、本発明に係る化合物半導
体エピタキシャルウエーハの製造方法を説明する。な
お、以下では燐化ガリウムＧａＰの単結晶基板を用いた
例を説明するが、砒化ガリウムＧａＡｓについても同様
に説明できる。
【００２１】まず、燐化ガリウムＧａＰからなる単結晶
基板２上に、燐化ガリウムＧａＰエピタキシャル層３を
気相成長させる。次に、該ＧａＰエピタキシャル層３上
に０乃至ａの範囲内で砒素の混晶率ｘが層厚の増大に伴
って変化する、燐化砒化ガリウムＧａＡｓx Ｐ1-x から
なる混晶率変化層４を気相成長させる。
基板２上に、燐化ガリウムＧａＰエピタキシャル層３を
気相成長させる。次に、該ＧａＰエピタキシャル層３上
に０乃至ａの範囲内で砒素の混晶率ｘが層厚の増大に伴
って変化する、燐化砒化ガリウムＧａＡｓx Ｐ1-x から
なる混晶率変化層４を気相成長させる。
【００２２】混晶率変化層４は、成長層厚さｄの増大に
伴って、予め決まった増加分だけ混晶率ｘを急激に増加
させる組成増加部Ｃ１１〜Ｃ１３と、混晶率ｘの増加分
を相殺しない範囲内で予め決まった減少分だけなだらか
に混晶率を減少させる結晶質安定化部Ｓ１１〜Ｓ１３
と、最上層近傍において混晶率ｘを所定混晶率ａまで増
加させる組成調整部Ａ１３とより構成される。
伴って、予め決まった増加分だけ混晶率ｘを急激に増加
させる組成増加部Ｃ１１〜Ｃ１３と、混晶率ｘの増加分
を相殺しない範囲内で予め決まった減少分だけなだらか
に混晶率を減少させる結晶質安定化部Ｓ１１〜Ｓ１３
と、最上層近傍において混晶率ｘを所定混晶率ａまで増
加させる組成調整部Ａ１３とより構成される。
【００２３】このような組成増加部と結晶質安定化部の
組み合わせ（Ｃ１１とＳ１１、Ｃ１２とＳ１２、Ｃ１３
とＳ１３）の反復回数は所定混晶率ａの大きさと混晶率
ｘの増加率により決定され、混晶率変化層内の層厚ｄ方
向に分布した位置（ｄ１０〜ｄ１６）でそれぞれ１回以
上反復形成させる。このとき、組成増加部ではミスフィ
ット転位が発生し、結晶質安定化部では結晶の修復が行
われると考えられ、結晶の修復が不十分な場合はミスフ
ィット転位が組成一定層に伝播し、輝度の低下が生じ
る。
組み合わせ（Ｃ１１とＳ１１、Ｃ１２とＳ１２、Ｃ１３
とＳ１３）の反復回数は所定混晶率ａの大きさと混晶率
ｘの増加率により決定され、混晶率変化層内の層厚ｄ方
向に分布した位置（ｄ１０〜ｄ１６）でそれぞれ１回以
上反復形成させる。このとき、組成増加部ではミスフィ
ット転位が発生し、結晶質安定化部では結晶の修復が行
われると考えられ、結晶の修復が不十分な場合はミスフ
ィット転位が組成一定層に伝播し、輝度の低下が生じ
る。
【００２４】結晶質安定化部Ｓ１３の形成（位置ｄ１
６）の後に設けられた組成調整部Ａ１３は、位置ｄ１７
において、混晶率ｘを組成一定層５の所定混晶率ａに整
合させる。
６）の後に設けられた組成調整部Ａ１３は、位置ｄ１７
において、混晶率ｘを組成一定層５の所定混晶率ａに整
合させる。
【００２５】混晶率変化層内において、目標値である所
定混晶率ａを超えない範囲で砒素Ａｓの混晶率ｘを増加
させても効率的に応力の緩和が成される。
定混晶率ａを超えない範囲で砒素Ａｓの混晶率ｘを増加
させても効率的に応力の緩和が成される。
【００２６】本発明の実施形態は、急峻な組成増加部と
比較的なだらかな結晶質安定化部の組み合わせを、混晶
率変化層内の層厚方向に分布して１回以上反復形成させ
ることが骨子であり、層厚方向に分布した格子不整合に
よる応力の緩和を局所毎に効果的に行いながら、混晶率
を効率的に増加させるものである。この結果、混晶率変
化層が薄くなり、かつ反射層が設けられることで輝度の
改善が可能となる。
比較的なだらかな結晶質安定化部の組み合わせを、混晶
率変化層内の層厚方向に分布して１回以上反復形成させ
ることが骨子であり、層厚方向に分布した格子不整合に
よる応力の緩和を局所毎に効果的に行いながら、混晶率
を効率的に増加させるものである。この結果、混晶率変
化層が薄くなり、かつ反射層が設けられることで輝度の
改善が可能となる。
【００２７】図３は、本発明に係る化合物半導体エピタ
キシャルウエーハにおける混晶率変化層のプロファイル
要部を説明する模式図である。同図に示されるように、
組成増加部Ｃは膜厚の増加幅Δｄ１において混晶率をΔ
ｘ１だけ急激に増加させ、またこの組成増加部Ｃに続く
結晶質安定化部Ｓは安定化幅Δｄ２において直前の増加
分が相殺されない範囲内で混晶率をΔｘ２だけなだらか
に減少させる。ここで、増加幅Δｄ１と安定化幅Δｄ２
との和Δｄが１乃至１０μｍであることが望ましい。Δ
ｄが１μｍより薄い場合はエピタキシャル層の結晶性が
悪くなり、１０μｍより厚い場合は混晶率変化層が従来
と同程度の厚さとなるので、生産性や輝度の向上があま
り期待できなくなる。
キシャルウエーハにおける混晶率変化層のプロファイル
要部を説明する模式図である。同図に示されるように、
組成増加部Ｃは膜厚の増加幅Δｄ１において混晶率をΔ
ｘ１だけ急激に増加させ、またこの組成増加部Ｃに続く
結晶質安定化部Ｓは安定化幅Δｄ２において直前の増加
分が相殺されない範囲内で混晶率をΔｘ２だけなだらか
に減少させる。ここで、増加幅Δｄ１と安定化幅Δｄ２
との和Δｄが１乃至１０μｍであることが望ましい。Δ
ｄが１μｍより薄い場合はエピタキシャル層の結晶性が
悪くなり、１０μｍより厚い場合は混晶率変化層が従来
と同程度の厚さとなるので、生産性や輝度の向上があま
り期待できなくなる。
【００２８】ここで、混晶率変化層において、層厚が１
μｍ増加する間に変化する混晶率ｘの割合Δｘを、混晶
率の変化率と定義する。例えば、混晶率の増加率が０．
１とは、１μｍの層厚増で混晶率が０．１増加する勾配
であることを示し、同様に混晶率の減少率が０．２と
は、１μｍの層厚増で混晶率が０．２減少する勾配であ
ることを示す。
μｍ増加する間に変化する混晶率ｘの割合Δｘを、混晶
率の変化率と定義する。例えば、混晶率の増加率が０．
１とは、１μｍの層厚増で混晶率が０．１増加する勾配
であることを示し、同様に混晶率の減少率が０．２と
は、１μｍの層厚増で混晶率が０．２減少する勾配であ
ることを示す。
【００２９】図４は、組成増加部における混晶率の増加
率と輝度の関係を示す図である。同図に示されるよう
に、混晶率ｘの増加率（増加分の勾配）を、成長層１μ
ｍの増大に対し０．１乃至２０の範囲で示される急峻値
とすると５０００ＦｔＬ以上の高輝度が得られる。ま
た、この混晶率の増加率の範囲は、さらに好ましくは成
長層１μｍの増大に対し０．５乃至５の範囲とすること
で、最高の効果が実現される。しかし、増加率が０．１
より小さい場合は、反射層として寄与しなくなり輝度が
低下する。また、２０より大きくなると、以下に示す結
晶室安定化部における混晶率の減少率で結晶の修復が困
難となり輝度が低下する。一方、図５は結晶質安定化部
における混晶率の減少率と輝度の関係を示す図である。
同図に示されるように、結晶質安定化部Ｓにおける混晶
率ｘの減少率（減少分の勾配）が、成長層１μｍの増大
に対し０．００５乃至０．０５の範囲の時に生産性が良
く高輝度となる。減少率を０．００５より小さくすると
膜厚が厚くなりすぎて生産性や輝度が低下する。また、
０．０５より大きくなると結晶の修復が不十分となり輝
度が低下する。さらに、各組成増加部Ｃにおける混晶率
ｘの増加分（例えばΔｘ１）は、０．０５乃至０．２５
の範囲とすることが好ましい。増加分が０．０５より小
さい場合は、応力の緩和が十分に行われない。一方、増
加分が０．２５より大きい場合は、エピタキシャル層の
結晶性が悪くなる。
率と輝度の関係を示す図である。同図に示されるよう
に、混晶率ｘの増加率（増加分の勾配）を、成長層１μ
ｍの増大に対し０．１乃至２０の範囲で示される急峻値
とすると５０００ＦｔＬ以上の高輝度が得られる。ま
た、この混晶率の増加率の範囲は、さらに好ましくは成
長層１μｍの増大に対し０．５乃至５の範囲とすること
で、最高の効果が実現される。しかし、増加率が０．１
より小さい場合は、反射層として寄与しなくなり輝度が
低下する。また、２０より大きくなると、以下に示す結
晶室安定化部における混晶率の減少率で結晶の修復が困
難となり輝度が低下する。一方、図５は結晶質安定化部
における混晶率の減少率と輝度の関係を示す図である。
同図に示されるように、結晶質安定化部Ｓにおける混晶
率ｘの減少率（減少分の勾配）が、成長層１μｍの増大
に対し０．００５乃至０．０５の範囲の時に生産性が良
く高輝度となる。減少率を０．００５より小さくすると
膜厚が厚くなりすぎて生産性や輝度が低下する。また、
０．０５より大きくなると結晶の修復が不十分となり輝
度が低下する。さらに、各組成増加部Ｃにおける混晶率
ｘの増加分（例えばΔｘ１）は、０．０５乃至０．２５
の範囲とすることが好ましい。増加分が０．０５より小
さい場合は、応力の緩和が十分に行われない。一方、増
加分が０．２５より大きい場合は、エピタキシャル層の
結晶性が悪くなる。
【００３０】
【実施例】次に、実施例を挙げて本発明を更に詳細に説
明する。 実施例１ 以下の方法で、混晶率ａ＝０．３４の組成一定層を有す
る橙色発光ダイオード用ＧａＡｓa Ｐ1-a エピタキシャ
ルウエーハ１を製造した。燐化ガリウムＧａＰ単結晶
を、所定厚さにスライス後、化学エッチングと機械化学
研磨を施して厚さ約３００μｍの燐化ガリウムＧａＰ鏡
面ウエーハを得、これを基板２とした。また反応ガスと
して、水素Ｈ2 、水素希釈の５０ｐｐｍ硫化水素Ｈ
2 Ｓ、水素希釈の１０％アルシン（砒化水素Ａｓ
Ｈ3 ）、水素希釈の１０％ホスフィン（燐化水素Ｐ
Ｈ3 ）、高純度塩化水素ＨＣｌ、高純度アンモニアＮＨ
3 を用いた。
明する。 実施例１ 以下の方法で、混晶率ａ＝０．３４の組成一定層を有す
る橙色発光ダイオード用ＧａＡｓa Ｐ1-a エピタキシャ
ルウエーハ１を製造した。燐化ガリウムＧａＰ単結晶
を、所定厚さにスライス後、化学エッチングと機械化学
研磨を施して厚さ約３００μｍの燐化ガリウムＧａＰ鏡
面ウエーハを得、これを基板２とした。また反応ガスと
して、水素Ｈ2 、水素希釈の５０ｐｐｍ硫化水素Ｈ
2 Ｓ、水素希釈の１０％アルシン（砒化水素Ａｓ
Ｈ3 ）、水素希釈の１０％ホスフィン（燐化水素Ｐ
Ｈ3 ）、高純度塩化水素ＨＣｌ、高純度アンモニアＮＨ
3 を用いた。
【００３１】まず、所定の場所に直径５０ｍｍ、ｎ型、
結晶方位（１００）でオフアングル１０°の燐化ガリウ
ムＧａＰ単結晶基板２と高純度ガリウム入り容器がセッ
トされた気相成長炉内に、キャリアガスの水素Ｈ2 を導
入して炉内を充分に置換した後、昇温を開始した。
結晶方位（１００）でオフアングル１０°の燐化ガリウ
ムＧａＰ単結晶基板２と高純度ガリウム入り容器がセッ
トされた気相成長炉内に、キャリアガスの水素Ｈ2 を導
入して炉内を充分に置換した後、昇温を開始した。
【００３２】燐化ガリウムＧａＰ単結晶基板２の温度が
８２０℃に達した後に、ＨＣｌを４５ｃｍ3 ／分の流量
で導入しながら容器内のＧａと反応させてＧａＣｌを発
生させ、同時にＨ2 ＳとＰＨ3 それぞれ７０ｃｍ3 ／分
と１８０ｃｍ3 ／分の流量で導入し、ＧａＰ単結晶基板
２上に厚さ約３μｍのｎ型ＧａＰエピタキシャル層３を
３０分間で成長させた。以下に成長させるエピタキシャ
ル層には、硫黄がドープされ、全てｎ型である。
８２０℃に達した後に、ＨＣｌを４５ｃｍ3 ／分の流量
で導入しながら容器内のＧａと反応させてＧａＣｌを発
生させ、同時にＨ2 ＳとＰＨ3 それぞれ７０ｃｍ3 ／分
と１８０ｃｍ3 ／分の流量で導入し、ＧａＰ単結晶基板
２上に厚さ約３μｍのｎ型ＧａＰエピタキシャル層３を
３０分間で成長させた。以下に成長させるエピタキシャ
ル層には、硫黄がドープされ、全てｎ型である。
【００３３】つぎに、前記ＧａＰエピタキシャル層３の
上に組成ＧａＡｓx Ｐ1-x の混晶率変化層４を以下のよ
うに成長させた。最初に、ＰＨ3 の流量を１８０ｃｍ3
／分から１５４．８ｃｍ3 ／分に急激に減少させると同
時にＡｓＨ3 の流量を０ｃｍ3 ／分から２５．２ｃｍ3
／分に急激に増加させて、混晶率ｘが０から０．１４ま
で急激に増加する厚さ約０．１μｍのＧａＡｓx Ｐ1-x
エピタキシャル層Ｃ１１を１分間で成長させた。この間
における混晶率ｘの変化率Δｘは、成長層１μｍの増大
に対し約１．４と急激であった。この過程で形成された
エピタキシャル層が、第１の組成増加部Ｃ１１に相当す
る。ついで、ＰＨ3 の流量を１５４．８ｃｍ3 ／分から
１６０．２ｃｍ3 ／分まで徐々に増加させると同時に、
ＡｓＨ3 の流量を２５．２ｃｍ3 ／分から１９．８ｃｍ
3 ／分まで徐々に減少させて、混晶率ｘが０．１４から
０．１１までなだらかに減少する安定化幅約３μｍのＧ
ａＡｓx Ｐ1-x エピタキシャル層を３０分間で気相成長
させた。この間における混晶率ｘの変化率Δｘは、成長
層１μｍの増大に対し約−０．０１であった。この過程
で形成されたエピタキシャル層が、第１の結晶質安定化
部Ｓ１１に相当する。以上の工程によって、第１の応力
を緩和する層をＧａＰ単結晶基板２の表面より３μｍ層
厚方向の位置に形成した。
上に組成ＧａＡｓx Ｐ1-x の混晶率変化層４を以下のよ
うに成長させた。最初に、ＰＨ3 の流量を１８０ｃｍ3
／分から１５４．８ｃｍ3 ／分に急激に減少させると同
時にＡｓＨ3 の流量を０ｃｍ3 ／分から２５．２ｃｍ3
／分に急激に増加させて、混晶率ｘが０から０．１４ま
で急激に増加する厚さ約０．１μｍのＧａＡｓx Ｐ1-x
エピタキシャル層Ｃ１１を１分間で成長させた。この間
における混晶率ｘの変化率Δｘは、成長層１μｍの増大
に対し約１．４と急激であった。この過程で形成された
エピタキシャル層が、第１の組成増加部Ｃ１１に相当す
る。ついで、ＰＨ3 の流量を１５４．８ｃｍ3 ／分から
１６０．２ｃｍ3 ／分まで徐々に増加させると同時に、
ＡｓＨ3 の流量を２５．２ｃｍ3 ／分から１９．８ｃｍ
3 ／分まで徐々に減少させて、混晶率ｘが０．１４から
０．１１までなだらかに減少する安定化幅約３μｍのＧ
ａＡｓx Ｐ1-x エピタキシャル層を３０分間で気相成長
させた。この間における混晶率ｘの変化率Δｘは、成長
層１μｍの増大に対し約−０．０１であった。この過程
で形成されたエピタキシャル層が、第１の結晶質安定化
部Ｓ１１に相当する。以上の工程によって、第１の応力
を緩和する層をＧａＰ単結晶基板２の表面より３μｍ層
厚方向の位置に形成した。
【００３４】さらに同様の気相成長工程を繰り返すこと
により、混晶率ｘが０．１１から０．２５まで急激に増
加する厚さ約０．１μｍの第２の組成増加部Ｃ１２と混
晶率ｘが０．２５から０．２２までなだらかに減少する
厚さ約３μｍの第２の結晶質安定化部Ｓ１２とをこの順
で形成して、ＧａＰ単結晶基板２の表面より層厚方向に
６μｍの位置に第２の応力を緩和する層を形成した。
により、混晶率ｘが０．１１から０．２５まで急激に増
加する厚さ約０．１μｍの第２の組成増加部Ｃ１２と混
晶率ｘが０．２５から０．２２までなだらかに減少する
厚さ約３μｍの第２の結晶質安定化部Ｓ１２とをこの順
で形成して、ＧａＰ単結晶基板２の表面より層厚方向に
６μｍの位置に第２の応力を緩和する層を形成した。
【００３５】続いて、混晶率ｘが０．２２から０．３４
まで急激に増加する厚さ約０．１μｍの第３の組成増加
部Ｃ１３と、混晶率ｘが０．３４から０．３１までなだ
らかに減少する厚さ約３μｍの第３の結晶質安定化部Ｓ
１３とをこの順で形成して、ＧａＰ単結晶基板２の表面
より層厚方向に９μｍの位置に第３の応力を緩和する層
を形成した。
まで急激に増加する厚さ約０．１μｍの第３の組成増加
部Ｃ１３と、混晶率ｘが０．３４から０．３１までなだ
らかに減少する厚さ約３μｍの第３の結晶質安定化部Ｓ
１３とをこの順で形成して、ＧａＰ単結晶基板２の表面
より層厚方向に９μｍの位置に第３の応力を緩和する層
を形成した。
【００３６】次いで、混晶率ｘが０．３１から０．３４
までなだらかに増加する厚さ約０．４μｍの組成調整部
Ａ１３を気相成長し、組成一定層５の混晶率に整合させ
た。
までなだらかに増加する厚さ約０．４μｍの組成調整部
Ａ１３を気相成長し、組成一定層５の混晶率に整合させ
た。
【００３７】最後に、混晶率ｘが０．３４で厚さ５μｍ
の組成一定層５と、同じ混晶率を有し、発光センターと
して窒素Ｎをドープした厚さ２０μｍの組成一定層６と
を気相成長で形成し、３組の応力を緩和する層が層厚方
向に分布して形成された、中心発光波長が６２９ｎｍの
橙色発光ダイオード用エピタキシャルウエーハを得た。
の組成一定層５と、同じ混晶率を有し、発光センターと
して窒素Ｎをドープした厚さ２０μｍの組成一定層６と
を気相成長で形成し、３組の応力を緩和する層が層厚方
向に分布して形成された、中心発光波長が６２９ｎｍの
橙色発光ダイオード用エピタキシャルウエーハを得た。
【００３８】この橙色発光ダイオード用エピタキシャル
ウエーハの輝度は６３００ＦｔＬであり、従来の輝度レ
ベル４１００ＦｔＬと比較して輝度向上が達成された。
ウエーハの輝度は６３００ＦｔＬであり、従来の輝度レ
ベル４１００ＦｔＬと比較して輝度向上が達成された。
【００３９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る化合
物半導体エピタキシャルウエーハは、混晶率変化層内
で、混晶率が大きな増加率で急峻に増加し、それに続い
て混晶率が比較的なだらかに減少する組合わせが少なく
とも１回、層厚方向に分布して形成される。この混晶率
の急峻な増加となだらかな減少の組合わせが、格子定数
の不整合により発生した、層厚方向に分布する応力を局
所毎に緩和するので高品質なエピタキシャルウエーハを
実現する。その上、混晶率の急激な増加により混晶率変
化層が薄層化されかつ、反射層が形成されるため、層厚
に依存する発光した光の再吸収が抑制され、かつ基板方
向に透過していた光を取り出せるようになり、さらなる
輝度の向上が実現される。また、混晶率変化層の薄層化
により、生産性の向上が達成できる。このように、本発
明によって、高品質かつ低コストの、高輝度発光ダイオ
ード用材料として極めて有用なＧａＡｓx Ｐ1-x エピタ
キシャルウエーハを得ることが出来るので、その産業上
の効果多大なるものがある。
物半導体エピタキシャルウエーハは、混晶率変化層内
で、混晶率が大きな増加率で急峻に増加し、それに続い
て混晶率が比較的なだらかに減少する組合わせが少なく
とも１回、層厚方向に分布して形成される。この混晶率
の急峻な増加となだらかな減少の組合わせが、格子定数
の不整合により発生した、層厚方向に分布する応力を局
所毎に緩和するので高品質なエピタキシャルウエーハを
実現する。その上、混晶率の急激な増加により混晶率変
化層が薄層化されかつ、反射層が形成されるため、層厚
に依存する発光した光の再吸収が抑制され、かつ基板方
向に透過していた光を取り出せるようになり、さらなる
輝度の向上が実現される。また、混晶率変化層の薄層化
により、生産性の向上が達成できる。このように、本発
明によって、高品質かつ低コストの、高輝度発光ダイオ
ード用材料として極めて有用なＧａＡｓx Ｐ1-x エピタ
キシャルウエーハを得ることが出来るので、その産業上
の効果多大なるものがある。
【図１】本発明に係る化合物半導体エピタキシャルウエ
ーハの一実施形態の構成を説明する模式断面図である。
ーハの一実施形態の構成を説明する模式断面図である。
【図２】図１に示された化合物半導体エピタキシャルウ
エーハにおいて、エピタキシャル層の厚さに対する混晶
率のプロファイルを説明する模式図である。
エーハにおいて、エピタキシャル層の厚さに対する混晶
率のプロファイルを説明する模式図である。
【図３】本発明に係る化合物半導体エピタキシャルウエ
ーハにおける混晶率のプロファイル要部を説明する模式
図である。
ーハにおける混晶率のプロファイル要部を説明する模式
図である。
【図４】本発明に係る化合物半導体エピタキシャルウエ
ーハについて、組成増加部における混晶率の増加率と輝
度の関係を示す図である。
ーハについて、組成増加部における混晶率の増加率と輝
度の関係を示す図である。
【図５】本発明に係る化合物半導体エピタキシャルウエ
ーハについて、結晶質安定化部における混晶率の減少率
と輝度の関係を示す図である。
ーハについて、結晶質安定化部における混晶率の減少率
と輝度の関係を示す図である。
１ 発光ダイオード用エピタキシャルウエーハ ２ ＧａＰ単結晶基板 ３ ＧａＰ層 ４ 混晶率変化層 ５ 組成一定層 ６ Ｎドープ組成一定層 ７ 拡散層 ｄ 混晶率変化層厚 Ｃ 組成変化部 Ｓ 結晶質安定化部 ｘ 混晶率 ａ 所定混晶率
フロントページの続き (72)発明者 遠藤 正久 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 高橋 徹 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 平５−343740（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−163884（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 33/00
Claims (7)
- 【請求項１】 燐化ガリウムＧａＰあるいは砒化ガリウ
ムＧａＡｓからなる化合物半導体単結晶の基板上に、基
板を構成しない第Ｖ族元素の混晶率ｘあるいはｙが層厚
の増大に伴って０乃至１の範囲内で変化する、燐化砒化
ガリウムＧａＡｓx Ｐ1-x あるいはＧａＡｓ1-y Ｐy か
らなる混晶率変化層が形成され、さらに該混晶率変化層
の上層に基板を構成しない第Ｖ族元素の所定混晶率がａ
あるいはｂ（但し０＜ａ≦１、０＜ｂ≦１）である燐化
砒化ガリウムＧａＡｓa Ｐ1-aあるいはＧａＡｓ1-b Ｐ
b からなる組成一定層が形成されてなる化合物半導体エ
ピタキシャルウエーハにおいて、 前記混晶率変化層内には、該混晶率変化層厚さの増大に
伴い混晶率ｘあるいはｙを増加させる組成増加部と、該
組成増加部に続き混晶率ｘあるいはｙを減少させる結晶
質安定化部とから成る組合わせが少なくとも１組層厚方
向に分布して形成され、前記組成増加部における混晶率
ｘあるいはｙの増加率は、成長層１μｍの増大に対し
０．１乃至２０であり、かつ前記結晶質安定化部におけ
る混晶率ｘあるいはｙの減少率が、成長層１μｍの増大
に対し０．００５乃至０．０５であることを特徴とする
化合物半導体エピタキシャルウエーハ。 - 【請求項２】 前記組成増加部における混晶率ｘあるい
はｙの増加率が、成長層１μｍの増大に対し０．５乃至
５であることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体
エピタキシャルウエーハ。 - 【請求項３】 前記各組成増加部における混晶率ｘある
いはｙの増加分が、１組あたり０．０５乃至０．２５で
あることを特徴とする請求項１記載の化合物半導体エピ
タキシャルウエーハ。 - 【請求項４】 前記各組成増加部を形成する膜厚を増加
幅とし、また前記組成増加部に続く各結晶質安定化部を
形成する膜厚を安定化幅とするとき、前記増加幅と前記
安定化幅との和が１乃至１０μｍであることを特徴とす
る請求項１乃至３のいずれか１項に記載の化合物半導体
エピタキシャルウエーハ。 - 【請求項５】 前記混晶率ｘあるいはｙは、前記混晶率
変化層内において前記所定混晶率ａあるいはｂを超える
ことがないことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか
１項に記載の化合物半導体エピタキシャルウエーハ。 - 【請求項６】 前記結晶質安定化部において、直前の組
成増加部における混晶率の増加分が相殺されない範囲内
で前記混晶率ｘあるいはｙを減少させてなることを特徴
とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の化合物半
導体エピタキシャルウエーハ。 - 【請求項７】 前記混晶率変化層の最上層近傍に、前記
混晶率ｘあるいはｙを前記所定混晶率ａあるいはｂまで
増加させる組成調整部が形成されていることを特徴とす
る請求項１記載の化合物半導体エピタキシャルウエー
ハ。
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