JP3932992B2 - Compound semiconductor epitaxial wafer manufacturing method, compound semiconductor epitaxial wafer manufacturing apparatus - Google Patents
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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の製造方法及び製造装置に関し、とりわけ窒素が添加された燐化砒化ガリウム混晶エピタキシャル層を有する化合物半導体エピタキシャルウエーハを得るのに好適な製造方法及び製造装置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等の間接遷移型周期律表第3族及び第5族化含物半導体を材料とする発光ダイオード、とりわけ化合物半導体の燐化砒化ガリウムGaAs1-x Px 系(ただし0.45≦X<1.0)発光ダイオードは、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GaAs1-x Px のエピタキシャル層を形成し、さらに、このエピタキシャル層の最上層にp型不純物を熱拡散することによりp−n接合を形成して発光領域を設けたエピタキシャルウエーハを用いている。
【0003】
発光は、外部電圧を印加することにより注入された電子と正孔が発光領域であるp−n接合部分で再結合することによって生じるが、この発光効率にかかわる要因として、まずn型キャリアーの濃度がある。従来、n型キャリアーの濃度として1×1015個/cm3 以上の範囲が用いられている。
【0004】
例えば、特公昭58−1539号公報には、n型キャリアー濃度を3.5×1015個/cm3 以上8.8×1015個/cm3 以下の範囲に収めることが開示されている。また、特公平6−101589号公報では、n型エピタキシャル層のキャリアー濃度を(1〜50)×1015個/cm3 の範囲に収めるとともに、窒素濃度に関連するフォトカレントスペクトルの遷移ピーク強度比を、発光ピークエネルギーで規定される範囲内に収める構成が提案されている。
【0005】
従来、n型キャリアーの濃度として1×1015個/cm3 以上の範囲が用いられているのは、n型エピタキシャル層のキャリアー濃度を1×1015個/cm3 以下に制御することが困難であったからである。例えば、n型キャリアー濃度を1×1015個/cm3 以下に低くしようとすると、過剰に低いキャリアー濃度を招くことが多かった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで最大限の発光出力を得るには、n型エピタキシャル層の最上層表面からp型不純物が熱拡散されてp−n接合が形成される領域(以下、p−n接合形成領域という。)の近傍について、熱拡散の前に適正な範囲のn型キャリアー濃度を選択しておく必要がある。
【0007】
例えばp−n接合形成領域の近傍においてn型キャリアー濃度が高いと、結晶品質が低下して輝度レベルが不安定になる上、光の再吸収率が大きくなることにより発光輝度が低下するので、n型キャリアーは低濃度にすることが好ましい。しかし、p−n接合領域のn型キャリアー濃度が低くなりすぎると、電子と正孔の再結合機会が減少して発光出力が低下し、さらに発光開始電庄Vfも高くなる。つまり、p−n接合形成領域の近傍においてn型キャリアー濃度が高すぎても低すぎても発光出力を低下させてしまうので、n型キャリアー濃度を適正な範囲に設定する必要がある。
【0008】
一方、発光効率にかかわる別の要因として、窒素の濃度がある。間接遷移型第3族及び第5族化合物半導体を材料とする発光ダイオートにおいては、p−n接合単独では効率のよい発光が困難であるため、発光領域内にアイソエレクトロニック・トラップと称せられ、発光中心となる窒素を添加して発光効率を高めている。従って、アイソエレクトロニック・トラップとして添加される窒素の濃度は、前記n型キャリアーの濃度とともに、輝度・波長等の発光特性を左右する重要な因子である。従来、前記のように選択可能なn型キャリアー濃度の下限に限度があったために、対応する窒秦濃度との組み合わせが最適化されず、よって発光性能に限界があった。
【0009】
本発明は前記のような課題や欠点を解決するためなされたもので、その目的は、窒素が添加された燐化砒化ガリウムGaAs1-x Px 系エピタキシャルウエーハの製造の際に、n型キャリアーの濃度分布を最適化することにより、あるいはn型キャリアー濃度とアイソエレクトロニック・トラップである窒素の濃度との組み合わせを最適化することにより高発光出力化を実現できる化合物半導体エピタキシャルウエーハを製造することの可能な、所定の構成を備えた化合物半導体エピタキシャルウエーハの製造方法およびその方法を実施するための製造装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題を解決するため、窒素が添加された燐化砒化ガリウム混晶エピタキシャル層のn型キャリアー濃度の膜厚方向分布ならびに、n型キャリアー濃度と窒素濃度の組み合わせを最適化する研究を重ねた結果、下記構成の製造方法及び製造装置を開発したものである。
【0011】
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は、ボート上に上流から下流にむかい複数枚の単結晶基板が載置され、石英製の反応管内に第3族原料ガスと第5族原料ガスとがそれぞれ単独に流され、第3族原料ガスをボート上流から下流にむかい供給し、第5族原料ガスを単結晶基板近傍まで配管輸送して単結晶基板ごとに分散供給して、該単結晶基板ごとに形成するエピタキシャル層中のn型キャリアー濃度を1×10 15 個/cm 3 以下に制御することを特徴とする。
【0012】
前記反応管としては、たとえば石英製のものが設けられる。また、上記製造方法では、たとえば燐化ガリウムまたは砒化ガリウムからなる単結晶基板上に燐化砒化ガリウム混晶エピタキシャル層を形成する。
【0013】
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装置は、上流から下流にむかい複数枚の単結晶基板を載置するボートと、ガス放出ノズルがボート上流から下流の順に、かつボート上のそれぞれの単結晶基板近傍に対応する位置に設けられたガス供給管とを石英製の反応管内に備え、第3族原料ガスをボート上流から下流にむかい供給し、前記ガス放出ノズルから第5族原料ガスを単結晶基板ごとに分散供給して、該単結晶基板ごとに形成するエピタキシャル層中のn型キャリアー濃度を1×10 15 個/cm 3 以下に制御することを特徴とする。
【0014】
上記製造装置においては前記反応管として、たとえば石英製のものが設けられる。また、この製造装置では、ガス排出口が形成された遮蔽板を前記ボートよりも下流側に設け、反応管の排気側から反応管内への不純物の逆拡散を防止することが好ましい。
【0015】
本発明の製造方法を使用し、基板上にエピタキシャル成長反応を起こさせることにより、燐化ガリウムまたは砒化ガリウムからなる単結晶基板上にエピタキシャル層を形成してなる化合物半導体エピタキシャルウエーハにおいて、前記エピタキシャル層が少なくとも、窒素が添加された燐化砒化ガリウム混晶エピタキシャル層を有し、この燐化砒化ガリウム混晶エピタキシャル層の、p型不純物を拡散する前のn型キャリアー濃度が、層厚方向に連続的あるいは段階的に漸減している化合物半導体エピタキシャルウエーハが好適に得られる。
【0016】
前記燐化砒化ガリウム混晶エヒタキシャル層は、p−n接合形成領域の近傍において、n型キャリアー濃度が4×1014個/cm3 以上3.5×1015個/cm3 未満の中間層と、n型キャリアー濃度が中間層の濃度以下である表皮層とを有することを特徴とする。また、前記中間層のn型キャリアー濃度が、4×1014個/cm3 以上1.0×1015個/cm3 未満であることが好ましい。さらに、前記表皮層のn型キャリアー濃度が、前記中間層のn型キャリアー濃度以下であることが好ましい。
【0017】
この化合物半導体エピタキシャルウエーハでは、前記中間層の膜厚が7乃至15μmであり、前記表皮層の層厚が2乃至5μmであることが好ましい。
【0018】
前記燐化砒化ガリウム混晶エピキシャル層では、アイソエレクトロニック・トラップとして添加された窒素に束縛されたエキシトンによる吸収波長λN と同波長もしくは略同波長の光を入射光とし、該入射光に対する、窒素が添加されていない燐化砒ガリウム混晶エピタキシャル層の吸収係数αと、窒素が添加された燐化砒化ガリウム混晶エピタキシャル層の吸収係数αN との差を△α(△α=αN −α)とするとき、該△αが100乃至300/cm(両端値を含む)となる濃度の窒素が添加されていることが好ましい。また、前記△αが150乃至250/cm(両端値を含む)であることが好ましい。
【0019】
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では、従来第3族原料ガスと第5族原料ガスを一括して反応炉の上方あるいは下方のどちらか一端から他端方向に流していたのに比して、第5族原料ガスを単独に、しかも各基板近傍まで配管輸送して分散供給するので、従来制御することが困難であった1×1015個/cm3 以下のn型キャリアー濃度についても、制御が可能になる。
【0020】
【発明の実施の形熊】
以下、本発明の一実施形態および、これにより得られる化合物半導体エピタキシャルウエーハを、添付図面に基づいて説明する。図1は、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装置を示す斜視図である。図2は、この製造装置で得られる化合物半導体エピタキシャルウエーハの一例を示す模式図で、エピタキシャル層の最表面からの距離に対するn型キャリアー濃度の膜厚方向分布を説明するものである。さらに図3は、図2に示された化合物半導体エピタキシャルウエーハの構成について説明する模式断面図である。
【0021】
図1に示すエピタキシャルウエーハ製造装置Rは、図中で左側が上流、右側が下流である長尺のボート15と、このボート15上部に沿って伸びるガス供給管2を備え、ガス供給管2にはガス放出ノズル2A、2B、2Cが上流から下流の順に設けられている。上記ガス放出ノズルから製造装置R内に、アルシンやホスフィン等の周期律表第5族の原料ガスVが供給される。なおボート15やガス供給管2等が収容されるエピタキシャル成長炉のベッセル(Vessel)は図示されない。
【0022】
ボート15上には上流から下流にむかい複数枚の基板13が載置され、これら基板13に、ガス放出ノズル2A、2B、2Cから第5族原料ガスVが下方向に放出供給される。一方、ガリウムを主体とする第3族原料ガスWはボート15上流から下流にむかい別途供給される。
【0023】
このように、エピタキシャルウエーハ製造装置Rは、従来の装置が第3族原料ガスWと第5族原料ガスVを一括して反応炉の上方あるいは下方のどちらか一端から他端方向に流して構成していたのに比して、第5族原料ガスVを単独に、しかも各基板13近傍まで配管輸送して基板ごとに分散供給する構成であるので、従来制御することが困難であった1×1015 個/cm3 以下のn型キャリアー濃度についても、制御が可能になった。
【0024】
すなわち、原料ガスを一括供給する従来の構成では、原料ガスの導入部付近での高濃度の原料ガスにより石英製の反応管1が侵食されてしまう。その結果、珪素が反応炉から遊離し、反応管1内に供給されたドーパントとともにウエーハ内に取り込まれて、n型キャリアーとして作用する。反応管1が侵食されて遊離する珪素の量は7〜30×1014個/cm3 の範囲で変動するので、1×1015個/cm3 以下の濃度を制御することができなかったものと考えられる。
【0025】
前記エピタキシャルウエーハ製造装置Rでは、上記態様の分散供給により各ガス放出ノズルから従来装置の1/3ないし1/4の濃度で第5族原料ガスVを供給するため、原料ガスが局所的に高濃度にならず、石英製反応炉が侵食され難いので、n型キャリアーとして作用する珪素が反応炉からほとんど遊離しない。その結果、1×1015 個/cm3 以下の濃度まで制御することができるようになった。
【0026】
さらに、前記エピタキシャルウエーハ製造装置Rでは、とりわけ第5族原料ガスVの流量の制御すなわち供給量の制御が精密にできるという特徴があり、これによってエピタキシャル膜厚制御をはじめ、各層内のキャリアー濃度および混晶率を精密に制御することを可能にしている。また、前記エピタキシャルウエーハ製造装置Rでは、反応管1の排気側からの不純物の逆拡散を防止するためにボート15の下流側に遮蔽板3を設け、排気側よりの不純物拡散を防止している。したがって、この装置は、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の実施を容易にするものである。
【0027】
次に、前記製造装置Rを用い、化合物半導体エピタキシャルウエーハを製造する方法について、図2および図3をもとに説明する。
【0028】
まず、単結晶基板4上に第3族原料ガスWと第5族原料ガスVを、それぞれ単独に流し、とりわけ第5族原料ガスVの供給量を高精度に制御して、燐化ガリウムGaPエピタキシャル層5、混晶率が層厚方向に変化する燐化砒化ガリウムGaAs1-x Px の混晶率変化層6、混晶率が一定値aの燐化砒化ガリウムGaAs1- aPaの組成一定層7を形成させる。
【0029】
さらに、窒素が添加されたエピタキシャル8として組成一定層7上に隣接して形成される窒素濃度調整層81から順に定常層82、中間層83、表皮層84をこの順に形成させる際に、定常層82から中間層3までは、n型のドーパントガスを連続的あるいは段階的に漸減させて供給し、表皮層84の形成時にはn型のドーパントガスの供給を停止する。
【0030】
図2および図3に示されるように、上記製造方法で得られた化合物半導体エピタキシャルウエーハEWでは、燐化ガリウムGaPの単結晶基板4上に、燐化ガリウムGaPエピタキシャル層5が形成され、さらにこの燐化ガリウムGaPエピタキシャル層5上に、混晶率が層厚方向に変化する燐化砒化ガリウムGaAs1-x Px の混晶率変化層6が形成され、さらにこの混晶率変化層6に接して上に、混晶率aが一定値である燐化砒化ガリウムGaAs1-a Pa の組成一定層7が形成され、この組成一定層7の上に窒素が添加された燐化砒化ガリウムGaAs1- aPaのエピタキシャル層8が形成される。
【0031】
この窒素が添加されたエピタキシャル層8は、組成一定層7上に隣接して形成されて添加する窒素の濃度を徐々に調整するための窒素濃度調整層81から順に、一定の窒素濃度を有する定常層82、p−n接合部及びそのn側領域となる中間層83、および、p型不純物が熱拡散される領域となる表皮層84により構成される。
【0032】
このヘテロ構造のエピタキシャルウエーハEWに、表皮層84の最表面からp型不純物を熱拡散した後に、電極を取り付け、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。
【0033】
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についても同様にして適用可能である。
【0034】
つぎに図2に示された、エピタキシャル層の最表面からの距離に対するn型キャリアー濃度の膜厚方向分布に基づいて、上記化合物半導体エピタキシャルウエーハの構成を説明する。同図は、アイソエレクトロニック・トラップである窒素の濃度を規定し後述される吸収係数差△αの値が213/cmで、かつ輝度が5800Ft・Lの燐化砒化ガリウムGaAs1-x Px エピタキシャルウエーハEW(窒素が添加されたエピタキシャル層8においてX=0.89)について、n型キャリアー濃度の膜厚方向分布の一例を示すもので、横軸はエピタキシャル成長層最表面からの距離L、縦軸はn型キャリアー濃度C(個/cm3 )である。
【0035】
エピタキシャル成長層最表面からの距離L7〜L6は、燐化ガリウムGaPエピタキシャル層5に相当し、厚さ4μmの層5内には、単結晶基板4のn型キャリアー濃度である5×1017個/cm3 から1×1017個/cm3 まで減少し再度3×1017個/cm3 まで増加するキャリアー濃度c7が形成されている。
【0036】
同様に、距離L6〜L5とL5〜L4は、それぞれ燐化砒化ガリウムGaAs1-x Px の混晶率変化層6と、燐化砒化ガリウムGaAs1-a Pa の組成一定層7に相当し、厚さがそれぞれ5μm,4.5μmのこれら各層内には3×1017個/cm3 で略一定のキリアー濃度c6,c5が夫々形成されている。
【0037】
距離L4からエピタキシャル成長層最表面までは窒素が添加されたエピタキシャル層8であり、この層8の最下層にあたる窒素濃度調整層81は距離L4〜L3間に4μmの厚さで形成されるが、ここでキャリアー濃度c4は3×1017個/cm3 から3×1016個/cm3 まで成長層最表面方向に漸減する構成となっている。
【0038】
つぎに距離L3〜L2間に形成される厚さ4μmの定常層82は、キャリアー濃度c4下端に連続する3×1016個/cm3 で略一定のキャリアー濃度c3を有し、さらに距離L2〜L1間に形成される厚さ8μmの中間層83には、キャリアー濃度c3からステップ状に8×1014個/cm3 まで急減したキャリアー濃度c2が層厚方向に略平坦に分布し、さらに距離L1〜最表面間に形成される厚さ4μmの表皮層84には、キャリアー濃度c2からさらに5×1014個/cm3 まで連続的に減少したキャリアー濃度c1が層厚方向に分布した構成となっている。
【0039】
このように、上記化合物半導体エピタキシャルウエーハEWのエピタキシャル成長層では、窒素濃度調整層81から表皮層84までのn型キャリアー濃度が連続的あるいは段階的に漸減する構成となっている。
【0040】
n型キャリアー濃度に関しては、燐化ガリムGaPエピタキシャル層5から定常層82までの濃度が(1〜50)×1016個/cm3 の範囲であり、中間層83の濃度が(4〜35)×1014個/cm3 の範囲であり、表皮層84の濃度が中間層83の濃度以下であることが好ましい。なお上記の範囲はいずれも境界値を含むものである
【0041】
図4は、エピタキシャル層の成長時間に対するn型のドーパントガスの供給流量の変化を示す一例であり、n型のドーパントガスである硫化水素H2 Sを水素H2 ガスで50ppmに希釈して、エピタキシャル層の成長開始から組成一定層7の形成終了までは140分間に190cm3 /分を流し、窒素濃度調整層81と定常層82の形成には60分間に7cm3 /分を流し、中間層83の形成には60分間に1cm3 /分を供給し、表皮層84を形成する30分間はドーパントガスを供給しない。
【0042】
これにより、窒素が添加されたエピタキシャル層8内のn型キャリアー濃度が、表皮層84の最表面に向かい連続的にあるいは段階的に漸減する構成を形成する。この結果、p−n接合形成領域近傍の結晶性が向上し、発光特性が改善される。また、基板側のn型キャリアー濃度は漸次増加しておりキャリアー濃度が低くなり過ぎるのを防止できるから、発光開始電圧Vfも高くなることがない。
【0043】
図5は、△αが150/cm以上250/cm以下となる濃度の窒素が添加された中間層83における、n型キャリアー濃度と発光輝度との関係を示した特性図である。図5に示されるように、n型キャリアー濃度が3.5×1015個/cm3 以上になると、結晶の均一性が悪くなり輝度レベルが不安定になる上、結晶品質の低下と、光の再吸収率が大きくなることにより、発光輝度が低下してしまう。一方、n型キャリアー濃度が4×1014個/cm3 以下になると、電子の数が少なすぎて電子と正孔の再結合機会が減少し、発光出力が低下する上、発光開始電圧Vfも急激に高くなってしまう。また、同図に示されるように、中間層83のn型キャリー濃度が4×1014個/cm3 以上1×1015個/cm3 未満の範囲内において、特に高い発光輝度が得られる。
【0044】
さらに、窒素が添加されたエピタキシャル層8の層厚が18乃至30μmであり、そのうち定常層82の層厚が1μm以上であり、中間層83の膜厚が7乃至15μmであり、表皮層84の層厚が2乃至5μmであることが好ましい。なお、上記の範囲はいずれも境界値を含むものとする。
【0045】
図6は、このようにして製造された、キャリアー濃度が(6〜10)×1014個/cm3 の場合における、本発明に係る化合物半導体エピタキシャルウエーハに関して発光輝度と△αで表された窒素濃度との関係を示す特性図である。
【0046】
図6に示されるように、定常層82から表皮層84までの各層内の窒素濃度を、窒素が添加されていない化合物半導体の吸収係数αと、窒素が添加されている間接遷移型第3−第5族化合物半導体の吸収係数αN との差△αで表す時、△αが100乃至300/cm(両端値を含む)の範囲で良好な発光輝度が得られる。また、さらに好ましくは、△αが150乃至250/cm(両端値を含む)の範囲で最も良好な発光輝度が得られる。
【0047】
次に、上記化合物半導体エピタキシャルウエーハでは、前記のようなn型キャリアー濃度の構成に最適に組み合わされる窒素濃度は、以下に説明する、吸収係数の差に基づく△α法により決定される。
【0048】
△α法とは、間接遷移型化合物半導体中にアイソエレクトロニック・トラップとして添加されている窒素の濃度を測定する方法(特願平7−55509号)であり、アイソエレクトロニック・トラップに束縛されたエキシトンによる吸収波長λN と同波長または略同波長の光を入射光とし、入射光に対する、窒素が添加されている化合物半導体の吸収係数αN と、窒秦が添加されていない化合物半導体の吸収係数αの差△αを求め、あらかじめ得られている△αと化合物半導体中の窒素濃度との相関関係から、窒素濃度を求める方法である。
【0049】
I0 を入射光の強度、IN 及びIを透過光の強度とし、αN を窒素が添加されたGaPの吸収係数、αを窒素が添加されていないGaPの吸収係数とした場合、透過光の強度IN とIを測定することにより、入射光に対する、窒素が添加されたGaP層の吸収係数αN と窒素が添加されていないGaP層の吸収係数αとの差△αを得ることができる。
【0050】
したがって、アイソエレクトロニック・トラップとして添加されている窒素濃度を、光吸収係数の測定値とあらかじめ得られているα,αN の相関関係から導出することにより、窒素が添加されたエピタキシャル層8内の窒素濃度を、非破壊で高精度かつ簡便に測定することができる。また、この△αと、SIMSで測定して得られた窒素濃度値との間には、極めて精度のよい相関関係のあることが確認されている
【0051】
さらに図5と図6から明らかなように、p−n接合形成領域のキャリアー濃度と△αで表される窒素濃度を適正に選択することにより、最高の発光輝度を実現することができる。
【0052】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明に係る化合物半薄体エピタキシャルウエーハの製造方法および製造装置によれば、第5族原料ガスを単独に、しかも各基板近傍まで配管輸送して基板ごとに分散供給するので、従来制御することが困難であった1×1015 個/cm3 以下のn型キャリアー濃度についても、制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【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製造装置の要部斜視図であって、一部を破断して示すものである。
【図2】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、成長層最表面からの距離に対するn型キヤリアー濃度の膜厚方向分布を説明する模式図である。
【図3】図2に示された化合物半導体エピタキシャルウエーハの構成を説明する模式断面図である。
【図4】エピタキシャル成長時間に対するドーパントガス流量の供給量変化を示す線図である。
【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の発光輝度と、n型キャリアー濃度との関係を示した特性図である。
【図6】本発明に係る化合物半導体エピタキシャルウエーハの発光輝度と、△αで表された窒素濃度との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
1:反応管
2:ガス供給管
2A,2B,2C:ガス放出ノズル
3:遮蔽板
4:GaPの単結晶基板
5:GaPのエピタキシャル層
6:GaAs1-x Px の混晶率変化層
7:GaAs1-a Pa の組成一定層
8:窒素が添加されたGaAs1-a Pa のエピタキシャル層
13:基板
15:ボート
81:窒素濃度調整層
82:定常層
83:中間層
84:表皮層C
C、c1〜c7:キャリアー濃度(個/cm3 )
EW:化合物半導体エピタキシャルウエーハ
L、L1〜L7:エピタキシャル成長層最表面からの距離
R:化合物半導体エピタキシャルウエーハの製造装置
V:周期律表第5族の原料ガス
W:周期律表第3族の原料ガス[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for manufacturing a compound semiconductor epitaxial wafer, and more particularly to a manufacturing method and apparatus suitable for obtaining a compound semiconductor epitaxial wafer having a gallium arsenide mixed crystal epitaxial layer to which nitrogen is added. is there.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, light-emitting diodes using indirect transition type
[0003]
Light emission is caused by recombination of electrons and holes injected by applying an external voltage at the pn junction portion, which is a light emitting region. As a factor related to the light emission efficiency, first, the concentration of n-type carrier is used. There is. Conventionally, a concentration of 1 × 10 15 / cm 3 or more is used as the concentration of the n-type carrier.
[0004]
For example, Japanese Patent Publication No. 58-1539 discloses that the n-type carrier concentration falls within the range of 3.5 × 10 15 pieces / cm 3 to 8.8 × 10 15 pieces / cm 3 . In Japanese Patent Publication No. 6-101589, the carrier concentration of the n-type epitaxial layer falls within the range of (1 to 50) × 10 15 / cm 3 and the transition peak intensity ratio of the photocurrent spectrum related to the nitrogen concentration. Has been proposed that falls within the range defined by the emission peak energy.
[0005]
Conventionally, the range of 1 × 10 15 atoms / cm 3 or more is used as the concentration of n-type carriers, and it is difficult to control the carrier concentration of the n-type epitaxial layer to 1 × 10 15 atoms / cm 3 or less. Because it was. For example, attempts to reduce the n-type carrier concentration to 1 × 10 15 / cm 3 or less often resulted in an excessively low carrier concentration.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to obtain the maximum light emission output, a region in which p-type impurities are thermally diffused from the uppermost surface of the n-type epitaxial layer to form a pn junction (hereinafter referred to as a pn junction formation region). For the vicinity, it is necessary to select an appropriate range of n-type carrier concentration before thermal diffusion.
[0007]
For example, if the n-type carrier concentration is high in the vicinity of the pn junction formation region, the crystal quality deteriorates and the luminance level becomes unstable, and the light reabsorption rate increases, so that the emission luminance decreases. The n-type carrier is preferably at a low concentration. However, if the n-type carrier concentration in the pn junction region becomes too low, the opportunity for recombination of electrons and holes decreases, the light emission output decreases, and the light emission start voltage Vf also increases. That is, since the light emission output is lowered if the n-type carrier concentration is too high or too low in the vicinity of the pn junction formation region, it is necessary to set the n-type carrier concentration within an appropriate range.
[0008]
On the other hand, another factor related to luminous efficiency is nitrogen concentration. In a light emitting die auto made of
[0009]
The present invention has been made to solve the above-described problems and disadvantages. The object of the present invention is to provide an n-type carrier in the production of a gallium arsenide GaAs 1-x P x -based epitaxial wafer to which nitrogen is added. Of compound semiconductor epitaxial wafers that can realize high light emission output by optimizing the concentration distribution of silicon or by optimizing the combination of the n-type carrier concentration and the concentration of nitrogen as an isoelectronic trap An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a compound semiconductor epitaxial wafer having a predetermined configuration and a manufacturing apparatus for carrying out the method.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present inventors have optimized the thickness direction distribution of the n-type carrier concentration of the gallium arsenide mixed crystal epitaxial layer to which nitrogen is added and the combination of the n-type carrier concentration and the nitrogen concentration. As a result of repeated research, we have developed a manufacturing method and manufacturing apparatus having the following configuration.
[0011]
In the method for producing a compound semiconductor epitaxial wafer according to the present invention, a plurality of single crystal substrates are placed on a boat from upstream to downstream, and a
[0012]
As the reaction tube, for example, a quartz tube is provided. In the above manufacturing method, a gallium arsenide mixed crystal epitaxial layer is formed on a single crystal substrate made of, for example, gallium phosphide or gallium arsenide.
[0013]
An apparatus for producing a compound semiconductor epitaxial wafer according to the present invention includes a boat on which a plurality of single crystal substrates are arranged from upstream to downstream, and each single crystal on the boat in order of gas discharge nozzles from upstream to downstream of the boat. A gas supply pipe provided at a position corresponding to the vicinity of the substrate is provided in a quartz reaction pipe, a
[0014]
In the manufacturing apparatus, for example, a quartz tube is provided as the reaction tube. Moreover, in this manufacturing apparatus, it is preferable to provide a shielding plate in which a gas discharge port is formed on the downstream side of the boat to prevent back diffusion of impurities from the exhaust side of the reaction tube into the reaction tube.
[0015]
In a compound semiconductor epitaxial wafer in which an epitaxial layer is formed on a single crystal substrate made of gallium phosphide or gallium arsenide by causing an epitaxial growth reaction on the substrate using the manufacturing method of the present invention, the epitaxial layer is It has at least a gallium arsenide arsenide mixed crystal epitaxial layer to which nitrogen is added, and the n-type carrier concentration of this gallium arsenide arsenide mixed crystal epitaxial layer before diffusion of p-type impurities is continuous in the layer thickness direction. Alternatively, a compound semiconductor epitaxial wafer gradually decreasing in steps can be suitably obtained.
[0016]
The gallium arsenide mixed crystal epitaxial layer includes an intermediate layer having an n-type carrier concentration of 4 × 10 14 / cm 3 or more and less than 3.5 × 10 15 / cm 3 in the vicinity of the pn junction formation region. And a skin layer having an n-type carrier concentration equal to or lower than that of the intermediate layer. The n-type carrier concentration of the intermediate layer is preferably 4 × 10 14 atoms / cm 3 or more and less than 1.0 × 10 15 atoms / cm 3 . Furthermore, the n-type carrier concentration of the skin layer is preferably not more than the n-type carrier concentration of the intermediate layer.
[0017]
In this compound semiconductor epitaxial wafer, it is preferable that the intermediate layer has a thickness of 7 to 15 μm and the skin layer has a thickness of 2 to 5 μm.
[0018]
In the gallium arsenide mixed crystal epitaxial layer, the light having the same wavelength as or substantially the same wavelength as the absorption wavelength λN of the exciton constrained by nitrogen added as an isoelectronic trap is used as the incident light. The difference between the absorption coefficient α of the gallium arsenide mixed crystal epitaxial layer not added and the absorption coefficient αN of the gallium arsenide mixed crystal epitaxial layer added with nitrogen is expressed as Δα (Δα = αN−α). In this case, it is preferable that nitrogen having a concentration such that the Δα is 100 to 300 / cm (including both end values) is added. The Δα is preferably 150 to 250 / cm (including both end values).
[0019]
In the method for producing a compound semiconductor epitaxial wafer according to the present invention, the
[0020]
[Shape Bear]
Hereinafter, an embodiment of the present invention and a compound semiconductor epitaxial wafer obtained thereby will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a perspective view showing an apparatus for manufacturing a compound semiconductor epitaxial wafer according to the present invention. FIG. 2 is a schematic view showing an example of a compound semiconductor epitaxial wafer obtained by this manufacturing apparatus, and illustrates the distribution in the film thickness direction of the n-type carrier concentration with respect to the distance from the outermost surface of the epitaxial layer. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of the compound semiconductor epitaxial wafer shown in FIG.
[0021]
The epitaxial wafer manufacturing apparatus R shown in FIG. 1 includes a
[0022]
A plurality of
[0023]
As described above, the epitaxial wafer manufacturing apparatus R is configured such that the conventional apparatus flows the
[0024]
That is, in the conventional configuration in which the source gases are collectively supplied, the
[0025]
In the epitaxial wafer manufacturing apparatus R, since the
[0026]
Further, the epitaxial wafer manufacturing apparatus R has a feature that the flow rate of the
[0027]
Next, a method for manufacturing a compound semiconductor epitaxial wafer using the manufacturing apparatus R will be described with reference to FIGS.
[0028]
First, the
[0029]
Furthermore, when the stationary layer 82, the
[0030]
2 and 3, in the compound semiconductor epitaxial wafer EW obtained by the above manufacturing method, a gallium phosphide
[0031]
The
[0032]
A p-type impurity is thermally diffused from the outermost surface of the
[0033]
The above is the case where the single crystal substrate is gallium phosphide GaP, but the same applies to gallium arsenide GaAs.
[0034]
Next, the configuration of the compound semiconductor epitaxial wafer will be described based on the distribution in the film thickness direction of the n-type carrier concentration with respect to the distance from the outermost surface of the epitaxial layer shown in FIG. This figure shows the concentration of nitrogen as an isoelectronic trap, the value of the absorption coefficient difference Δα described later is 213 / cm, and the luminance is 5800 Ft · L. The gallium arsenide GaAs 1-x P x epitaxial layer The wafer EW (X = 0.89 in the
[0035]
The distances L7 to L6 from the outermost surface of the epitaxial growth layer correspond to the gallium phosphide
[0036]
Similarly, the distance L6~L5 and L5~L4 are respectively alloy
[0037]
From the distance L4 to the epitaxial growth layer outermost surface is the
[0038]
Next, the stationary layer 82 having a thickness of 4 μm formed between the distances L3 and L2 has a substantially constant carrier concentration c3 at 3 × 10 16 pieces / cm 3 continuous to the lower end of the carrier concentration c4, and further has a distance L2 to L2. In the
[0039]
Thus, the epitaxial growth layer of the compound semiconductor epitaxial wafer EW has a configuration in which the n-type carrier concentration from the nitrogen
[0040]
Regarding the n-type carrier concentration, the concentration from the gallium phosphide
FIG. 4 shows an example of a change in the supply flow rate of the n-type dopant gas with respect to the growth time of the epitaxial layer. Hydrogen sulfide H 2 S, which is an n-type dopant gas, is diluted to 50 ppm with hydrogen H 2 gas, From the start of the growth of the epitaxial layer to the end of the formation of the
[0042]
As a result, a configuration is formed in which the n-type carrier concentration in the
[0043]
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the n-type carrier concentration and the light emission luminance in the
[0044]
Furthermore, the layer thickness of the
[0045]
FIG. 6 shows the emission luminance and nitrogen represented by Δα for the compound semiconductor epitaxial wafer according to the present invention manufactured in the above manner when the carrier concentration is (6 to 10) × 10 14 pieces / cm 3. It is a characteristic view which shows the relationship with a density | concentration.
[0046]
As shown in FIG. 6, the nitrogen concentration in each layer from the stationary layer 82 to the
[0047]
Next, in the compound semiconductor epitaxial wafer, the nitrogen concentration optimally combined with the configuration of the n-type carrier concentration as described above is determined by the Δα method based on the difference in absorption coefficient described below.
[0048]
The Δα method is a method for measuring the concentration of nitrogen added as an isoelectronic trap in an indirect transition type compound semiconductor (Japanese Patent Application No. 7-55509), and an exciton bound to the isoelectronic trap. The absorption wavelength αN of the compound semiconductor to which nitrogen is added and the absorption coefficient α of the compound semiconductor to which nitrogen is not added with respect to the incident light. In this method, the difference Δα is obtained, and the nitrogen concentration is obtained from the correlation between Δα obtained in advance and the nitrogen concentration in the compound semiconductor.
[0049]
When I0 is the intensity of incident light, IN and I are the intensity of transmitted light, αN is the absorption coefficient of GaP to which nitrogen is added, and α is the absorption coefficient of GaP to which nitrogen is not added, the intensity of transmitted light IN and by measuring the I, with respect to the incident light, it is possible to obtain a difference △ alpha and alpha absorption coefficient of GaP layer absorption coefficient αN and nitrogen is not added in the GaP layer to which nitrogen is added.
[0050]
Therefore, by deriving the nitrogen concentration added as an isoelectronic trap from the correlation between the measured value of the light absorption coefficient and α and αN obtained in advance, the nitrogen in the
Further, as apparent from FIGS. 5 and 6, the highest light emission luminance can be realized by appropriately selecting the carrier concentration in the pn junction formation region and the nitrogen concentration represented by Δα.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, according to the method and apparatus for manufacturing a compound semi-thin epitaxial wafer according to the present invention, the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of an essential part of a compound semiconductor epitaxial wafer manufacturing apparatus according to the present invention, partially broken away.
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a thickness direction distribution of an n-type carrier concentration with respect to a distance from the outermost surface of a growth layer in an embodiment of a compound semiconductor epitaxial wafer according to the present invention.
3 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of the compound semiconductor epitaxial wafer shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a change in supply amount of a dopant gas flow rate with respect to an epitaxial growth time.
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the relationship between the light emission luminance of the compound semiconductor epitaxial wafer according to the present invention and the n-type carrier concentration.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the emission luminance of the compound semiconductor epitaxial wafer according to the present invention and the nitrogen concentration represented by Δα.
[Explanation of symbols]
1: reaction tube 2:
C, c1 to c7: carrier concentration (pieces / cm 3 )
EW: Compound semiconductor epitaxial wafer L, L1 to L7: Distance from the outermost surface of the epitaxial growth layer R: Compound semiconductor epitaxial wafer manufacturing device V: Source gas of
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