JP3902246B2

JP3902246B2 - エピタキシャルウェーハの製造方法

Info

Publication number: JP3902246B2
Application number: JP3157894A
Authority: JP
Inventors: 泰男細川; 泰之坂口; 利幸田中
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1994-03-01
Filing date: 1994-03-01
Publication date: 2007-04-04
Anticipated expiration: 2022-04-04
Also published as: JPH07240372A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、エピタキシャル成長方法によるウェーハに係り、特に格子ミスマッチのあるヘテロ接合を有するエピタキシャルウェーハ、及び当該ウェーハを使用して作製した発光ダイオードに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体基板上に基板の格子定数と異なる格子定数を有する能動層をエピタキシャル成長させて各種デバイスを作製する技術が注目されている。この格子不整合系の材料として、可視光領域の発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）用の材料として利用される（Ａｌ_X Ｇａ_1-X ）_Y Ｉｎ_1-Y Ｐ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１）がある。この材料系では特にＧａＡｓ基板上に当該材料を使用したＤＨ構造を有するＬＥＤ、ＬＤとしての応用が盛んに行われている（特開平２−２５７６７７参照）。図３にＧａＡｓ基板を使用した場合のウェーハ構造を示す。この場合、ＧａＡｓ基板と（Ａｌ_X Ｇａ_1-X ）_0.51Ｉｎ_0.49Ｐエピタキシャル層との間に格子定数の差はなく（格子整合系）、良質なエピタキシャルウェーハが得られている。一方、ＧａＡｓ基板を使用することで、（Ａｌ_X Ｇａ_1-X ）_Y Ｉｎ_1-Y ＰのＤＨ構造部分で発光した光のうち、基板側に放出されるものはＧａＡｓ基板で吸収されてしまうために、表面側に取り出すことができず発光効率が上がらないという欠点がある。そこで、基板による光の吸収を低減し発光効率を高める目的で、発光した可視光に対して透明なＧａＰを基板として使用した研究も行われるようになった。しかし、基板としてＧａＰを使用した場合には、ＧａＰ基板と（Ａｌ_X Ｇａ_1-X ）_Y Ｉｎ_1-Y Ｐとの間に格子定数の差（格子ミスマッチ）があるために、（Ａｌ_X Ｇａ_1-X ）_Y Ｉｎ_1-Y Ｐエピタキシャル層の結晶性が劣化することが問題となっていた。
【０００３】
また、別の例として、ＧａＡｓ基板を使用し、格子整合させないでy≠０．５１である（Ａｌ_ｘＧａ_１−ｘ）_ｙＩｎ_１−ｙＰ系の材料を用いて短波長の可視光ＬＥＤを作製するものや、ＧａＡｓ基板上に０＜ｙ＜１であるＧａＡｓ_ｙＰ_１−ｙ系材料を能動層として作製する可視光ＬＥＤ等がある。
【０００４】
ここで、この格子定数の差については、ＬＥＤを作製した時の発光波長が５９０ｎｍ前後の黄色〜橙色の発光になるような組成のＧａ_0.65Ｉｎ_0.35Ｐ活性層をエピタキシャル成長させる場合に、その格子ミスマッチ度が約２．７％となる。従来、この格子ミスマッチによる結晶性の劣化を緩和するために、ＧａＰ基板の格子定数から所定の組成の（Ａｌ_X Ｇａ_1-X ）_Y Ｉｎ_1-Y Ｐの格子定数まで連続的に格子定数を変化させるエピタキシャル層（格子定数変化層あるいは組成勾配層と称す）を挿入すること（特開平３−２０３３１６参照）や、格子定数の異なる層を成長する前に特別なバッファ層を挿入すること（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５３（５）．１９８８参照）が行われてきた。
【０００５】
ここで、格子ミスマッチ度とは、下記（１）式で定義される。
格子ミスマッチ度＝（エピタキシャル層の格子定数−基板の格子定数）×１００／（基板の格子定数）・・・（１）
【０００６】
ただし、組成勾配層や特別な成長条件のバッファ層を具備するだけでは格子定数の異なるＤＨ構造部分の結晶性を向上することは現実には難しい。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
発光した可視光に対して透明なＧａＰ基板を使用する場合や、ＧａＡｓ基板を利用して格子定数の異なる発光層を用いる場合に、従来行われてきたような組成勾配層を挿入したり、特別な成長条件のバッファ層を挿入するだけでは、格子定数が基板と異なり、表面状態が良好で、且つ結晶性の良好なＤＨ構造部分を成長することは難しい。格子ミスマッチがある場合は、周辺部と組成が異なり成長速度も早くなるため、ヒロックと呼ばれる盛り上がった突起物が島状に分布する結晶表面となる。また、そのようなエピタキシャルウェーハを用いた場合には、高輝度のＬＥＤがまだ得られていない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そこで、基板上にバッファ層およびクラッド層を成長した後にその当該表面をポリッシュして平坦にすることにより、格子ミスマッチが原因で発生した転位や欠陥、表面の凹凸がその後の結晶成長層に影響しないようにして、結晶性の良好なＤＨ構造部分ひいては高輝度のＬＥＤを作製することが本発明の目的である。
すなわち本願発明は、以下に関する。
（１）ＧａＰ化合物半導体基板上に、ＧａＰバッファ層、ＡｌＧａＩｎＰ第一段下部クラッド層、能動層としてＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層、ＧａＩｎＰ活性層、ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層のダブルヘテロ構造を有するエピタキシャルウェーハの製造方法であって、前記ＧａＰ化合物半導体基板上に前記ＧａＰバッファ層を成長させ、その上に前記ＡｌＧａＩｎＰ第一段下部クラッド層を成長させた後に、この前記ＡｌＧａＩｎＰ第一段下部クラッド層表面をポリッシュし、その後、前記ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層、前記ＧａＩｎＰ活性層、前記ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層のエピタキシャル成長を順次行うことを特徴とする発光ダイオード用途のエピタキシャルウェーハの製造方法。
（２）前記ＧａＰバッファ層と前記ＡｌＧａＩｎＰ第一段下部クラッド層との間に、前記ＧａＰ化合物半導体基板の格子定数から能動層の格子定数まで格子定数が連続的に変化するＡｌＧａＩｎＰ組成勾配層を成長させることを特徴とする（１）に記載の発光ダイオード用途のエピタキシャルウェーハの製造方法。
【０００９】
ＧａＰ基板上には、先ず基板の結晶欠陥の影響を低減するため、ＧａＰのバッファ層をエピタキシャル成長させる。結晶成長方法は通常ＭＯＶＰＥ法に依るのが一般的である。その上には、本発明で目的としている５９０〜６１０ｎｍで発光するような組成に調整した活性層（Ａｌ_X Ｇａ_1-X ）_Y Ｉｎ_1-Y Ｐ（０．１８≦Ｘ≦０．３０、Ｙ＝０．５１）に適合したクラッド層組成と同組成のバッファ層（Ａｌ_X Ｇａ_1-X ）_Y Ｉｎ_1-Y Ｐ（Ｘ≧０．７０、Ｙ＝０．５１）を成長する。この層の格子定数はＧａＰ基板の格子定数と異なり、約２．７％の格子ミスマッチが存在する。また、このような格子定数の異なるバッファ層を成長する前に組成勾配層を挿入し、格子定数を徐々に変化させて約２．７％の格子ミスマッチのある層を最終的に成長しても良い。この格子ミスマッチの影響を緩和するため、当該バッファ層表面をポリッシュする。ポリッシュする厚さはバッファ層の１／２〜２／３を目安とすれば良い。結晶表面のポリッシュは通常の基板表面をポリッシュするのと同じポリッシングマシーンで行う。例えばバッファ層は３μｍ程度成長させておき、ポリッシュにより約２μｍ削って残り膜厚を１μｍ程度とする。ポリッシュした後再度ＭＯＶＰＥ装置に導入して、能動層構造部分の結晶成長を行う。
【００１０】
再度結晶成長を行う場合に、先ずポリッシュ前に成長したバッファ層と同組成の（Ａｌ_X Ｇａ_1-X ）_Y Ｉｎ_1-Y ＰをＤＨ構造部分の下部クラッド層として２．０μｍ程度成長させる。バッファ層と下部クラッド層までは、Ｈ₂ Ｓｅをドーパントとしてｎ型にドーピングし、そのキャリア濃度は１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度とする。その後活性層を成長させる。膜厚は１．０μｍ程度とし、組成は５９０〜６１０ｎｍの間で目的とする発光波長になるよう設定する。この層はＤＥＺｎをドーパントとしてｐ型にドーピングする。キャリア濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3程度である。次に上部クラッド層を成長させる。組成は下部クラッド層と同じであるが、ＤＥＺｎをドーパントとしてｐ型にドーピングする。キャリア濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3程度である。膜厚は下部クラッド層と同じ２μｍ程度である。こうして得られたＤＨ構造部分の上にコンタクト層として活性層と同組成のＧａＩｎＰを成長させる。この層も上部クラッド層と同程度にｐ型にドーピングし、膜厚は０．５μｍ程度である。
【００１１】
このようにして作製したエピタキシャルウェーハを使用してＬＥＤを作製する場合、発光部分であるＤＨ構造部分の結晶性が格子ミスマッチの影響があるにもかかわらず如何に良好であるかが重要となる。従って、本発明のようにバッファ層成長後にその表面を一旦ポリッシュすると、格子ミスマッチの影響で島状成長した表面の凹凸部分が平坦になり、また発生した結晶欠陥をその後の層に伝播し難くするため、結晶性の良好なＤＨ構造部分のエピタキシャル成長が可能となる。その結果従来得られていた格子不整合系のＬＥＤよりも高輝度が得られる。
【００１２】
【作用】
本発明は可視光に対して透明なＧａＰ基板上に、格子ミスマッチのある（Ａｌ_X Ｇａ_1-X ）_Y Ｉｎ_1-Y Ｐのバッファ層あるいは組成勾配層を成長した後に、当該表面をポリッシュし、表面を平坦にした後再度エピタキシャル成長することにより格子ミスマッチの影響を排除し、結晶性の良好な能動層構造を得るものである。また、このようなエピタキシャルウェーハを使用すれば、従来より高輝度のＬＥＤを得ることができる。また、本発明は基板としてＧａＡｓを使用した場合に、ＧａＡｓＰ系のエピタキシャル成長をする場合、ＡｌＧａＩｎＰ系ＤＨ構造をエピタキシャル成長する場合にも同様の効果が得られる。
【００１３】
【実施例】
次に本発明の実施例を組成勾配層の有無の二つの場合についてそれぞれ詳細に説明する。今回はＧａＰ基板上にＧａＩｎＰを活性層とするＤＨ構造のエピタキシャルウェーハを作製した。使用したＧａＰ基板は、Ｓをドープしたｎ型基板である。本実施例では、ＭＯＶＰＥ法により減圧下にて結晶成長を行った。使用した原料ガスはＴＭＡ、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＰＨ₃ （１００％ガス）であり、キャリアガスとして超高純度のＨ₂ ガスを使用した。
【００１４】
（実施例１）
先ず、組成勾配層のない場合についての実施例を示す。ウェーハの断面構造を図１に示す。結晶成長は先ず７３０℃にてＧａＰバッファ層７を０．５μｍ成長させた。この時Ｓｅをドーパントとして使用しｎ型のドーピングを行った。続いてＤＨ構造部分の下部クラッド層５と同組成である（Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 ）_0.65Ｉｎ_0.35Ｐ第一段下部クラッド層６を約３μｍ成長させた。この層もＳｅをドーパントとしてＧａＰバッファ層７と同じく１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度にドーピングした。この組成での格子定数はＧａＰの格子定数より大きく、その格子ミスマッチ度は約２．７％である。従って、この層を３μｍ成長した後の表面状態は悪く、ヒロックと呼ばれる周辺部と組成が異なり且つ島状成長により周辺より成長速度が速いために盛り上がった突起物が多く存在した。このヒロックの大きさは、３μｍのエピタキシャル成長後で約２０×３０μｍであり高さは約６μｍであった。また、ウェーハ面内での密度は約１０００〜３０００ｃｍ^-2であった。
【００１５】
ここで第一段目の結晶成長を停止し、ウェーハを取り出した。取り出したウェーハをＧａＡｓ基板をポリッシュする通常のポリッシングマシーンでポリッシュした。ポリッシュは平滑なガラスまたはセラミックス定盤に固定し、外径約０．５μｍのＳｉＯ₂ 超微粒子と次亜塩素酸ナトリウムを主成分とするポリッシュ液を用いて化学機械的に研磨した。この時、加工ダメージを小さくするために、加重は５０ｇ／ｃｍ² 程度に抑えた。研磨速度は装置状態により異なるが、装置により適当な値を設定することで、研磨後の表面の凹凸をピーク値で最大０．００２μｍに抑えることができる。今回は研磨速度０．０５μｍ／ｍｉｎで、研磨後の表面粗度は０．５μｍ以下であった。研磨量としては、（Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 ）_0.65Ｉｎ_0.35Ｐ成長層約３μｍの内約２μｍをポリッシュして１μｍ残した。このウェーハの表面には所々にヒロックの跡が見られたが、平坦であった。
【００１６】
再びＭＯＶＰＥ装置にてＤＨ構造部分の結晶成長を行った。ポリッシュ前に成長させた（Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 ）_0.65Ｉｎ_0.35Ｐを下部クラッド層５として再び１μｍ成長させた。続いて、Ｇａ_0.65Ｉｎ_0.35Ｐの組成を有する活性層４を１μｍ成長させた。ＧａＰ基板８と上記活性層４の間の格子ミスマッチ度は、ＧａＰ、Ｇａ_0.65Ｉｎ_0.35Ｐの格子定数が各々５．４５０オングストローム、５．５９７オングストロームであることより、式（１）から２．７％となる。活性層はＤＥＺｎをドーパントとしてｐ型にドーピングし、そのキャリア濃度は５×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。活性層の上部には下部クラッド層と同一の組成を有する（Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 ）_0.65Ｉｎ_0.35Ｐを上部クラッド層３として２μｍ成長させた。上部クラッド層３も活性層４と同様ＤＥＺｎをドーパントとしてｐ型にドーピングした。キャリア濃度も同様に５×１０¹⁷ｃｍ^-3とした。また、電極をとりやすくするために、活性層４と同組成のｐ型Ｇａ_0.65Ｉｎ_0.35Ｐ層をコンタクト層２として最後に成長させた。比較のため同条件で（Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 ）_0.65Ｉｎ_0.35Ｐの下部クラッド層５を最初から２μｍ成長し、ウェーハ表面のポリッシュをしないで続いて活性層４を成長した同一構造のエピタキシャルウェーハを作製し、ＬＥＤを作製してその発光特性を比較した。
【００１７】
作製したＬＥＤは、３５０×３５０μｍの大きさであり、その特性評価は積分球を使用した輝度測定により行った。発光波長について視感度補正を行った後のそれぞれの基板を使用したＬＥＤの輝度は、従来のウェーハ表面のポリッシュをしない場合で２５００ミリカンデラであったのに対して、ウェーハ表面のポリッシュを行った場合では３５００ミリカンデラと高輝度であった。尚、測定時の印加電流は２０ミリアンペアである。
【００１８】
（実施例２）
次に、組成勾配層を挿入した場合の実施例について示す。ウェーハは図２に示す構造とした。実施例１で示したのと同様に、先ず７３０℃にてＧａＰバッファ層７を０．５μｍ成長させた。続いてＡｌ、Ｉｎ原料を添加し、その供給量を連続的に変化させて、組成がＧａＰから（Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 ）_0.65Ｉｎ_0.35Ｐまで変化する組成勾配層１６を２μｍ成長させた。組成勾配層１６での原料供給量の変化は、ＴＭＧａで２５→１４ＳＣＣＭ、ＴＭＩｎで３→９７ＳＣＣＭ、ＴＭＡｌは一定とした。
【００１９】
組成勾配層１６を成長後、連続して（Ａｌ_0.2 Ｇａ_0.8 ）_0.65Ｉｎ_0.35Ｐの組成を有する下部クラッド層５と同一組成層のｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第一段下部クラッド層６を３μｍ成長させた。この時点で第一段目の結晶成長を停止し、ウェーハを取り出した。表面状態は実施例１に比べて良好であった。これは組成勾配層１６により格子ミスマッチの影響を僅かながら緩和できたためと思われる。この場合のヒロックの大きさは、約１０×２０μｍであり、高さは約５μｍであった。また、ウェーハ面内での密度も約４００〜５００ｃｍ^-2であり、組成勾配層の無い実施例１より少なかった。取り出したウェーハを実施例１と同様、第一段下部クラッド層６の残り膜厚が１μｍとなるようにポリッシュし、第二段目の結晶成長を行った。平坦度については、実施例１と同様０．５μｍ以下であった。
【００２０】
ＤＨ構造部分の再成長は実施例１と全く同様の手順で行った。こちらの場合も同条件で作製し、ポリッシュ工程の無いエピタキシャルウェーハとＬＥＤの輝度で比較した。組成勾配層１６を挿入したがポリッシュしなかったものについては、２８００ミリカンデラであったのに対して、ポリッシュを行い、二段階成長したものでは３７００ミリカンデラと高輝度であった。これらの結果は、組成勾配層１６を成長後その表面をポリッシュすることにより、格子ミスマッチの影響で発生したヒロックや結晶欠陥の影響をその後の結晶成長に伝播させないことができたためだと思われる。
【００２１】
【発明の効果】
ＧａＰ基板と格子ミスマッチの存在するバッファ層を成長後、一旦その表面をポリッシュした後に再度ＤＨ構造部分の結晶成長を行うことにより、結晶性の良好なＤＨ構造部分が得られ、そのようなエピタキシャルウェーハを使用してＬＥＤを作製した場合には従来にない高輝度のＬＥＤを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるエピタキシャルウェーハの構造の一例を示す図である。
【図２】本発明による組成勾配層を含むエピタキシャルウェーハの構造の一例を示す図である。
【図３】従来のＧａＡｓ基板を使用したエピタキシャルウェーハの構造を示す図である。
【符号の説明】
１電極
２ｐ−ＧａＩｎＰコンタクト層
３ｐ−ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層
４ｐ−ＧａＩｎＰ活性層
５ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層
６ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ第一段下部クラッド層
７ｎ−ＧａＰバッファ層
８Ｓドープｎ−ＧａＰ基板
９電極
１２ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１６ｎ−ＡｌＧａＩｎＰ組成勾配層
１７ｎ−ＧａＡｓバッファ層
１８Ｓｉドープｎ−ＧａＡｓ基板

Claims

ＧａＰ化合物半導体基板上に、ＧａＰバッファ層、ＡｌＧａＩｎＰ第一段下部クラッド層、能動層としてＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層、ＧａＩｎＰ活性層、ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層のダブルヘテロ構造を有するエピタキシャルウェーハの製造方法であって、前記ＧａＰ化合物半導体基板上に前記ＧａＰバッファ層を成長させ、その上に前記ＡｌＧａＩｎＰ第一段下部クラッド層を成長させた後に、この前記ＡｌＧａＩｎＰ第一段下部クラッド層表面をポリッシュし、その後、前記ＡｌＧａＩｎＰ下部クラッド層、前記ＧａＩｎＰ活性層、前記ＡｌＧａＩｎＰ上部クラッド層のエピタキシャル成長を順次行うことを特徴とする発光ダイオード用途のエピタキシャルウェーハの製造方法。
前記ＧａＰバッファ層と前記ＡｌＧａＩｎＰ第一段下部クラッド層との間に、前記ＧａＰ化合物半導体基板の格子定数から能動層の格子定数まで格子定数が連続的に変化するＡｌＧａＩｎＰ組成勾配層を成長させることを特徴とする請求項１に記載の発光ダイオード用途のエピタキシャルウェーハの製造方法。