JP3436379B2 - りん化ひ化ガリウムエピタキシャルウエハ - Google Patents
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- H—ELECTRICITY
- 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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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、長寿命の発光ダイオー
ドの製造に適したりん化ひ化ガリウムエピタキシャルウ
エハ及びその製造方法に関する。
ドの製造に適したりん化ひ化ガリウムエピタキシャルウ
エハ及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】りん化ひ化ガリウム混晶エピタキシャル
・ウエハを用いた発光ダイオードは、黄色、橙色等のい
わゆる中間色の発光が得られるので、各種の表示装置に
広く用いられている。
・ウエハを用いた発光ダイオードは、黄色、橙色等のい
わゆる中間色の発光が得られるので、各種の表示装置に
広く用いられている。
【０００３】表示装置に使用する場合、発光ダイオード
の輝度が高く、かつ、平均していることが必要とされ
る。また、発光ダイオードの輝度が使用中に低下しない
こと、すなわち、寿命が長いことも必要とされている。
従来、発光ダイオードの寿命を長くするために、エピタ
キシャルウエハのキャリア濃度を低下させる等の手段が
講じられていた。
の輝度が高く、かつ、平均していることが必要とされ
る。また、発光ダイオードの輝度が使用中に低下しない
こと、すなわち、寿命が長いことも必要とされている。
従来、発光ダイオードの寿命を長くするために、エピタ
キシャルウエハのキャリア濃度を低下させる等の手段が
講じられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
発光ダイオードでは、使用条件の厳しい屋外で使用した
場合、寿命が短く、その結果、発光ダイオードを用いた
表示板に、色むらが生じる等の問題が指摘されていた。
発光ダイオードでは、使用条件の厳しい屋外で使用した
場合、寿命が短く、その結果、発光ダイオードを用いた
表示板に、色むらが生じる等の問題が指摘されていた。
【０００５】これらの問題を解決するには、発光ダイオ
ードのチップ製造工程のみではなく、エピタキシャル・
ウエハの品質を改良することが必要とされていた。さら
に、従来のキャリア濃度を低くして、長寿命化を図ると
発光ダイオードの順方向立ち上がり電圧（Ｖｆ）が高く
なるという問題もあった。
ードのチップ製造工程のみではなく、エピタキシャル・
ウエハの品質を改良することが必要とされていた。さら
に、従来のキャリア濃度を低くして、長寿命化を図ると
発光ダイオードの順方向立ち上がり電圧（Ｖｆ）が高く
なるという問題もあった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者等は、このよう
な問題点を解決することを目的として鋭意研究を重ねた
結果、本発明に到達したものである。本発明の上記の目
的は、単結晶基板上にりん化ひ化ガリウム混晶率変化
層、りん化ひ化ガリウム混晶率一定層及び窒素をドープ
したりん化ひ化ガリウム混晶率一定層を形成したりん化
ひ化ガリウムエピタキシャルウエハにおいて、上記りん
化ひ化ガリウム混晶率変化層及びりん化ひ化ガリウム混
晶率一定層のキャリア濃度が５×１０ 16 〜５×１０ 17 ｃ
ｍ -3 であり、上記窒素をドープしたりん化ひ化ガリウム
混晶率一定層のキャリア濃度が、３×１０15ｃｍ-3以下
であることを特徴とするりん化ひ化ガリウムエピタキシ
ャルウエハ、によって達せられる。
な問題点を解決することを目的として鋭意研究を重ねた
結果、本発明に到達したものである。本発明の上記の目
的は、単結晶基板上にりん化ひ化ガリウム混晶率変化
層、りん化ひ化ガリウム混晶率一定層及び窒素をドープ
したりん化ひ化ガリウム混晶率一定層を形成したりん化
ひ化ガリウムエピタキシャルウエハにおいて、上記りん
化ひ化ガリウム混晶率変化層及びりん化ひ化ガリウム混
晶率一定層のキャリア濃度が５×１０ 16 〜５×１０ 17 ｃ
ｍ -3 であり、上記窒素をドープしたりん化ひ化ガリウム
混晶率一定層のキャリア濃度が、３×１０15ｃｍ-3以下
であることを特徴とするりん化ひ化ガリウムエピタキシ
ャルウエハ、によって達せられる。
【０００７】本発明においては、りん化ひ化ガリウム混
晶とは、ＧａＡｓ1-x Ｐx と表示した場合、１＞ｘ≧
０．５の範囲をいう（なお、本明細書で、「混晶率」と
は、上記「ｘ」の値をいう。）。この範囲の混晶率は、
間接遷移領域であるので、アイソエレクトロニック・ト
ラップである窒素をドープして外部量子効率を向上させ
る。本発明のウエハを図１に基づいて説明する。図１
は、本発明のウエハの縦断面模型図である。
晶とは、ＧａＡｓ1-x Ｐx と表示した場合、１＞ｘ≧
０．５の範囲をいう（なお、本明細書で、「混晶率」と
は、上記「ｘ」の値をいう。）。この範囲の混晶率は、
間接遷移領域であるので、アイソエレクトロニック・ト
ラップである窒素をドープして外部量子効率を向上させ
る。本発明のウエハを図１に基づいて説明する。図１
は、本発明のウエハの縦断面模型図である。
【０００８】図１において、１は、単結晶基板である。
単結晶基板１としては、通常は、りん化ガリウム単結晶
基板が用いられる。基板１の面方位は、通常｛１００｝
面、または、｛１００｝面から数度以内の角度だけ＜１
１０＞方向へ傾いた面が用いられる。基板１の導電型
は、通常ｎ型が選択される。ｎ型ドーパントとしては、
テルル、硫黄、セレン等が用いられる。キャリア濃度
は、約１×１０17〜５×１０18cm -3の範囲が通常であ
る。
単結晶基板１としては、通常は、りん化ガリウム単結晶
基板が用いられる。基板１の面方位は、通常｛１００｝
面、または、｛１００｝面から数度以内の角度だけ＜１
１０＞方向へ傾いた面が用いられる。基板１の導電型
は、通常ｎ型が選択される。ｎ型ドーパントとしては、
テルル、硫黄、セレン等が用いられる。キャリア濃度
は、約１×１０17〜５×１０18cm -3の範囲が通常であ
る。
【０００９】２は、りん化ガリウムエピタキシャル層で
ある。層２は、基板１の結晶性の良否がりん化ひ化ガリ
ウムエピタキシャル層の結晶性に影響を与えるのを防止
するためのバッファとして設けられるが、必要に応じ
て、層２を省略してもよい。３は、りん化ひ化ガリウム
混晶率変化層である。層３は、りん化ガリウムと層３の
上に設けられるりん化ひ化ガリウム層の間の格子定数の
相違に基づく歪を緩和する目的で設けられる。層３の混
晶率は、１からりん化ひ化ガリウム混晶率一定層の混晶
率まで連続的に変化させる。
ある。層２は、基板１の結晶性の良否がりん化ひ化ガリ
ウムエピタキシャル層の結晶性に影響を与えるのを防止
するためのバッファとして設けられるが、必要に応じ
て、層２を省略してもよい。３は、りん化ひ化ガリウム
混晶率変化層である。層３は、りん化ガリウムと層３の
上に設けられるりん化ひ化ガリウム層の間の格子定数の
相違に基づく歪を緩和する目的で設けられる。層３の混
晶率は、１からりん化ひ化ガリウム混晶率一定層の混晶
率まで連続的に変化させる。
【００１０】４は、りん化ひ化ガリウム混晶率一定層で
ある。層４の混晶率は、所望の発光波長に応じて選択さ
れる。約０．９で黄色、約０．６で橙色である。５は、
窒素をドープしたりん化ひ化ガリウム混晶率一定層であ
る。窒素は、アイソエレクトロニック不純物としてドー
プされる。混晶率が０．５よりも大であるりん化ひ化ガ
リウムは、間接遷移であるので窒素をドープしないと発
光効率が向上しない。
ある。層４の混晶率は、所望の発光波長に応じて選択さ
れる。約０．９で黄色、約０．６で橙色である。５は、
窒素をドープしたりん化ひ化ガリウム混晶率一定層であ
る。窒素は、アイソエレクトロニック不純物としてドー
プされる。混晶率が０．５よりも大であるりん化ひ化ガ
リウムは、間接遷移であるので窒素をドープしないと発
光効率が向上しない。
【００１１】層４と層５の混晶率は、同一の値にするの
が通常である。層５のキャリア濃度は、３×１０15cm-3
以下、好ましくは、１×１０15cm-3以上３×１０15cm-3
以下の範囲に選択される。層５のキャリア濃度が３×１
０15cm-3を超えると、発光ダイオードの寿命が十分に延
びないので好ましくない。また、１×１０15cm-3未満で
あるエピタキシャルウエハの工業的な製造は困難であ
る。
が通常である。層５のキャリア濃度は、３×１０15cm-3
以下、好ましくは、１×１０15cm-3以上３×１０15cm-3
以下の範囲に選択される。層５のキャリア濃度が３×１
０15cm-3を超えると、発光ダイオードの寿命が十分に延
びないので好ましくない。また、１×１０15cm-3未満で
あるエピタキシャルウエハの工業的な製造は困難であ
る。
【００１２】層２から層４までの層のキャリア濃度は、
５×１０16〜５×１０17ｃｍ-3の範囲とする。キャリア
濃度が高すぎると、結晶性が低下し、低すぎるとエピタ
キシャルウエハの比抵抗が高くなるので、上記範囲が用
いられる。本発明のエピタキシャルウエハの製造方法
は、特に限定されないが、気相エピタキシャル成長法に
よるのが通常である。気相エピタキシャル成長法として
は、ハロゲン化物輸送法、ハイドライド輸送法等が適当
である。
５×１０16〜５×１０17ｃｍ-3の範囲とする。キャリア
濃度が高すぎると、結晶性が低下し、低すぎるとエピタ
キシャルウエハの比抵抗が高くなるので、上記範囲が用
いられる。本発明のエピタキシャルウエハの製造方法
は、特に限定されないが、気相エピタキシャル成長法に
よるのが通常である。気相エピタキシャル成長法として
は、ハロゲン化物輸送法、ハイドライド輸送法等が適当
である。
【００１３】層５を成長させる場合、キャリア濃度が５
×１０16cm-3〜５×１０17cm-3の範囲である層２から層
４までを成長させた後、ドーパントの供給のみを停止し
て、続いてアンモニアを導入して成長させることによっ
て、キャリア濃度が、３×１０15cm-3未満の範囲である
窒素をドープしたりん化ひ化ガリウム混晶率一定層５を
得ることができる。
×１０16cm-3〜５×１０17cm-3の範囲である層２から層
４までを成長させた後、ドーパントの供給のみを停止し
て、続いてアンモニアを導入して成長させることによっ
て、キャリア濃度が、３×１０15cm-3未満の範囲である
窒素をドープしたりん化ひ化ガリウム混晶率一定層５を
得ることができる。
【００１４】
【実施例】硫黄をドープしたキャリア濃度が、２．５×
１０17ｃｍ-3であるりん化ガリウム単結晶基板を用い
た。基板表面の面方位は、（１００）面から、＜１１０
＞方向へ６°傾いた面であった。エピタキシャル成長用
ガス組成は、ＡｓＨ3−ＰＨ3−ＨＣｌ−Ｇａ−Ｈ2系、
いわゆる、ハイドライド輸送法を用いた。ｎ型ドーパン
トとしては、ジエチルテルル、窒素源としては、アンモ
ニアを用いた。
１０17ｃｍ-3であるりん化ガリウム単結晶基板を用い
た。基板表面の面方位は、（１００）面から、＜１１０
＞方向へ６°傾いた面であった。エピタキシャル成長用
ガス組成は、ＡｓＨ3−ＰＨ3−ＨＣｌ−Ｇａ−Ｈ2系、
いわゆる、ハイドライド輸送法を用いた。ｎ型ドーパン
トとしては、ジエチルテルル、窒素源としては、アンモ
ニアを用いた。
【００１５】石英製横型リアクターを用いて、黄色発光
ダイオード用りん化ひ化ガリウムエピタキシャルウエハ
（混晶率０．９）を成長させた。層２から層４までのキ
ャリア濃度を１〜５×17ｃｍ-3となるように制御し、層
５の成長の際には、ドーパントの供給を停止するか、或
いは供給するドーパント量を表１に示すキャリア濃度に
なるように変化させた。層５のキャリア濃度が１×１０
15cm-3から６×１０16ｃｍ-3の範囲のりん化ひ化ガリウ
ムエピタキシャルウエハを成長させた。得られたエピタ
キシャルウエハを用いて発光ダイオードを製造して、輝
度及び寿命を調べた。
ダイオード用りん化ひ化ガリウムエピタキシャルウエハ
（混晶率０．９）を成長させた。層２から層４までのキ
ャリア濃度を１〜５×17ｃｍ-3となるように制御し、層
５の成長の際には、ドーパントの供給を停止するか、或
いは供給するドーパント量を表１に示すキャリア濃度に
なるように変化させた。層５のキャリア濃度が１×１０
15cm-3から６×１０16ｃｍ-3の範囲のりん化ひ化ガリウ
ムエピタキシャルウエハを成長させた。得られたエピタ
キシャルウエハを用いて発光ダイオードを製造して、輝
度及び寿命を調べた。
【００１６】寿命は、輝度の残存率を基準とした。各キ
ャリア濃度について、別個に得られたウエハ３種類につ
いて、各ウエハ３個の発光ダイオード・チップを無作為
抽出して以下の条件で輝度の残存率を測定した。即ち、
樹脂モールド無し、２４０Ａ／cm2 、パルス繰り返し周
波数１００Ｈｚ、ｄｕｔｙ １／２の条件で、初期輝度
及び１６８時間点灯した後の輝度の残存率（１６８時間
後の輝度÷初期輝度×１００）を測定した。また、層５
のキャリア濃度が１．８×１０15cm-3のとき、Ｖｆは
２．０６Ｖで変化はなかった。結果を表１、図２及び図
３に示した。
ャリア濃度について、別個に得られたウエハ３種類につ
いて、各ウエハ３個の発光ダイオード・チップを無作為
抽出して以下の条件で輝度の残存率を測定した。即ち、
樹脂モールド無し、２４０Ａ／cm2 、パルス繰り返し周
波数１００Ｈｚ、ｄｕｔｙ １／２の条件で、初期輝度
及び１６８時間点灯した後の輝度の残存率（１６８時間
後の輝度÷初期輝度×１００）を測定した。また、層５
のキャリア濃度が１．８×１０15cm-3のとき、Ｖｆは
２．０６Ｖで変化はなかった。結果を表１、図２及び図
３に示した。
【００１７】
【表１】
【００１８】図２は、層５のキャリア濃度と輝度の関係
を示す図である。図２で、縦軸は、輝度（ftＬ）であ
り、横軸は、層５のキャリア濃度である。表１は、層５
のキャリア濃度と発光ダイオードの寿命、即ち、１６８
時間経過後の輝度の残存率の関係を示した。図３は、表
１に示した関係を図示したものである。図３で、縦軸
は、発光ダイオードの寿命、即ち、１６８時間経過後の
輝度の残存率、横軸は、層５のキャリア濃度である。本
発明のウエハを用いると１６８時間経過後の輝度は、初
期値の８０％以上である。
を示す図である。図２で、縦軸は、輝度（ftＬ）であ
り、横軸は、層５のキャリア濃度である。表１は、層５
のキャリア濃度と発光ダイオードの寿命、即ち、１６８
時間経過後の輝度の残存率の関係を示した。図３は、表
１に示した関係を図示したものである。図３で、縦軸
は、発光ダイオードの寿命、即ち、１６８時間経過後の
輝度の残存率、横軸は、層５のキャリア濃度である。本
発明のウエハを用いると１６８時間経過後の輝度は、初
期値の８０％以上である。
【００１９】
【発明の効果】本発明のエピタキシャルウエハを用いる
と、使用中の発光ダイオード輝度の低下がきわめて小さ
く、かつＶｆも低いので産業上の利用価値は大である。
と、使用中の発光ダイオード輝度の低下がきわめて小さ
く、かつＶｆも低いので産業上の利用価値は大である。
【図１】本発明のウエハの１例の縦断面模型図
【図２】輝度とキャリア濃度の関係図
【図３】輝度の残存率とキャリア濃度の関係図
１ 基板
２ りん化ガリウムエピタキシャル層
３ りん化ひ化ガリウム混晶率変化層
４ りん化ひ化ガリウム混晶率一定層
５ 窒素ドープりん化ひ化ガリウム混晶率一定層
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 高橋 常照
茨城県牛久市東猯穴町1000番地 三菱化
成ポリテック株式会社筑波工場内
(56)参考文献 特開 昭53−66388（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−286372（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 33/00
H01L 21/20
Claims (4)
- 【請求項１】 単結晶基板上にりん化ひ化ガリウム混晶
率変化層、りん化ひ化ガリウム混晶率一定層及び窒素を
ドープしたりん化ひ化ガリウム混晶率一定層を形成した
りん化ひ化ガリウムエピタキシャルウエハにおいて、上
記りん化ひ化ガリウム混晶率変化層及びりん化ひ化ガリ
ウム混晶率一定層のキャリア濃度が５×１０16〜５×１
０17ｃｍ-3であり、上記窒素をドープしたりん化ひ化ガ
リウム混晶率一定層のキャリア濃度が、３×１０15ｃｍ
-3以下であることを特徴とするりん化ひ化ガリウムエピ
タキシャルウエハ。 - 【請求項２】 上記窒素をドープしたりん化ひ化ガリウ
ム混晶率一定層のキャリア濃度が、１×１０15〜３×１
０15ｃｍ-3であることを特徴とする請求項１記載のりん
化ひ化ガリウムエピタキシャルウエハ。 - 【請求項３】 上記単結晶基板がりん化ガリウムである
ことを特徴とする請求項１又は２記載のりん化ひ化ガリ
ウムエピタキシャルウエハ。 - 【請求項４】 単結晶基板上にりん化ひ化ガリウム混晶
率変化層、りん化ひ化ガリウム混晶率一定層及び窒素を
ドープしたりん化ひ化ガリウム混晶率一定層を形成する
りん化ひ化ガリウムエピタキシャルウエハの製造方法に
おいて、上記りん化ひ化ガリウム混晶率変化層及びりん化ひ化ガ
リウム混晶率一定層を形成し、ドーパントの供給を停止
して、上記窒素をドープしたりん化ひ化ガリウム混晶率
一定層を成長させ、かつ上記りん化ひ化ガリウム混晶率
変化層及びりん化ひ化ガリウム混晶率一定層のキャリア
濃度を５×１０ 16 〜５×１０ 17 ｃｍ -3 とし、上記窒素を
ドープしたりん化ひ化ガリウム混晶率一定層のキャリア
濃度を３×１０ 15 ｃｍ -3 以下とすることを特徴とするり
ん化ひ化ガリウムエピタキシャルウエハの製造方法。
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