JPH04278522A - ＳｉドープＧａＩｎＰキャップ層を有する半導体材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、直接遷移型のＩＩＩ　
−Ｖ族系半導体材料であるＧａＩｎＰ　系混晶から構成
される発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザ（ＬＤ
）などの半導体素子の材料に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＩＩ　−Ｖ族系の化合物半導体材料で
あるＧａＩｎＰ　を主成分とするＧａＩｎＰ　系は、窒
化物を除く直接遷移型ＩＩＩ　−Ｖ族系化合物半導体中
で最大のバンドギャップを有し、赤色発光はもちろんの
こと緑色〜橙色の光を放射する発光素子を構成する材料
として最も有利な材料であり、現在赤色ＬＥＤおよびＬ
Ｄ用材料として使用されている。

【０００３】これら、現在実用化されている赤色ＬＥＤ
およびＬＤは、高品質の結晶として得られているＧａＡ
ｓ基板を使用し、ＧａＡｓと格子整合したＧａＩｎＰ　
およびＡｌＧａＩｎＰ　混晶の層から構成されている。

【０００４】すなわち、組成傾斜層を基板上に設けるこ
となく、ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＩｎＰ　クラッド層
およびＧａＩｎＰ　活性層を直接成長させて作製したも
のである。この系では、〔Ａｌｙ　Ｇａ１−ｙ　〕ｘ　
Ｉｎ１−ｘ　Ｐ　（０≦ｙ≦１，ｘ＝０．５１）がＧａ
Ａｓと格子整合し、たとえばｙ＝０なる組成の活性層、
およびｙ＝０．７　なる組成のクラッド層でヘテロ構造
を有した赤色発光素子が得られる。また、活性層のｙの
値を適当に選ぶことによりさらに短波長（例えば黄色）
の発光素子も得られている。さらに、理論的には緑色の
発光素子とすることも可能である。

【０００５】しかしながら、この系で緑色〜橙色の短波
長の発光を得るためには、発光領域をＡｌＧａＩｎＰ　
で形成しなければならず、酸化され易いＡｌの存在のた
めに発光素子の信頼性、性能が低いものになっている。

【０００６】そこで、Ａｌの含有量の低いＡｌＧａＩｎ
Ｐ　またはＡｌを含まないＧａＩｎＰ　を発光領域とし
て使い、緑色〜橙色の発光を可能とするためには、発光
部の混晶〔Ａｌｙ　Ｇａ１−ｙ　〕ｘ　Ｉｎ１−ｘ　Ｐ
　において、ｙ〜０、ｘの値を０．５１から適切な値に
増加してやることが必要であり、またこのような混晶に
格子整合する基板を特別に用意することが要求される。

【０００７】このために、ＧａＡｓ基板もしくはＧａＰ
　基板上に格子整合のためのＧａＡｓＰ　組成傾斜層を
設けたものを基板として用い、該ＧａＡｓＰ　基板上に
格子整合するＧａＩｎＰ　系の第二層を成長させたもの
が開発されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、該ＧａＡｓＰ
　基板は、通常気相成長で作製されるが、格子状の約２
μｍの段差を持ったリッジから形成されている特有のク
ロスハッチパターンの表面モホロジーを有している。そ
のため、当該基板上に多層を形成しても表面モホロジー
の改善はされ難く、平坦な界面は得られない。このよう
な表面ホモロジーでは、電極をＧａＩｎＰ　の層に接触
させた際の密着性が悪い。従って、ＧａＩｎＰ　層と電
極との間の接触抵抗は大きく、オーミック性を低下させ
、結果的にデバイスとしての特性を劣化させる原因とな
る。

【０００９】さらに、該ＧａＡｓＰ　基板には高密度の
ミスフィット転位が多数存在し、該基板上に多層を成長
しても通常この転位は伝播していく。

【００１０】従って、ＧａＡｓＰ　基板に起因するクロ
スハッチパターンと高転位密度が、ＬＥＤ、ＬＤを作製
した場合にその性能、信頼性を著しく損なう原因となる
。

【００１１】本発明は、ＧａＡｓＰ　基板上にＧａＩｎ
Ｐ　の層を成長させて、緑色〜橙色の高品質、高信頼性
発光素子を開発するに際し、表面が平坦で転位が少なく
且つオーミック性の良好な半導体材料を提供することを
目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは、下記の半導体材料を開発するに到っ
た。

【００１３】即ち、図１で示すように本発明の半導体材
料においては、ＧａＡｓＰ　基板上に、ＧａＩｎＰ　混
晶を主成分とする層（以下、「ＧａＩｎＰ　層」という
。）およびＳｉドープＧａＩｎＰ　混晶を主成分とする
層（以下、「キャップ層」ともいう。）が少なくとも形
成されてなることを特徴とするものである。

【００１４】本発明に使用されるＧａＡｓＰ　基板とし
ては、例えばＧａＡｓ基板上にＧａＡｓｙ　Ｐ　１−ｙ
　からなる組成傾斜層、すなわち、このｙの値を徐々に
小さくした層（Ｐの含有量を徐々に大きくした層）を基
板上に順次成長させたものを用いることができる。

【００１５】ＧａＰ　またはＧａＡｓ基板上にＧａＡｓ
Ｐ　をエピタキシャル成長させる方法として、従来既知
の気相成長（クロライド法、ハライド法）、ＭＯＶＰＥ
（有機金属気相エピタキシャル成長法）、ＭＢＥ（分子
線エピタキシャル成長法）、ＬＰＥ（液相エピタキシャ
ル成長法）等から選ばれる方法を用いる。

【００１６】ＧａＡｓＰ　基板上のＧａＩｎＰ　層の混
晶組成は、ＧａＡｓＰ　基板と格子整合させる必要があ
ることは言うまでもない。具体的な混晶組成は、ＧａＰ
　のモル分率で表すと０．５１〜０．７５であり、好ま
しくは０．６０〜０．７４である。ＧａＰ　のモル分率
は橙色から緑色の所望の発光波長によって選択される。 なお、本発明においてＧａＡｓＰ　基板上のＧａＩｎＰ
層を構成する混晶は、Ａｌの含有量の低いＡｌＧａＩｎ
Ｐ　混晶からＡｌを含まないＧａＩｎＰ　混晶までを包
含する。

【００１７】ＧａＡｓＰ　基板上のＧａＩｎＰ　層は、
通常ｐ型ＧａＩｎＰ　層とｎ型ＧａＩｎＰ　層との二層
からなり、その上にキャップ層を成長させる。これら三
層を成長させる手段としては特に制限はなく、従来既知
のＬＰＥ（液相エピタキシャル成長法）により行えばよ
いが、特にスライドボード法により行うことが層の均一
性を保持する点で望ましい。

【００１８】ｐ型ＧａＩｎＰ　層（ｐ層）、ｎ型ＧａＩ
ｎＰ　層（ｎ層）およびキャップ層は、一連の工程とし
て連続的に成長させることができ、通常インジウム（Ｉ
ｎ）を溶媒として適当なドーパントを混入し、さらにガ
リウム（Ｇａ）と燐化インジウム（ＩｎＰ　）あるいは
燐化ガリウム（ＧａＰ　）とＩｎＰ　を加えた溶液を作
製して、この溶液を既知の手段によって基板上に順次成
長させることができる。この際、Ｉｎ溶媒中に加えるＩ
ｎＰ　とＧａＰ　またはＧａとＩｎＰ　の分量は、前述
した如くこれらの溶液から析出するそれぞれのＧａＩｎ
Ｐ　成長層の混晶組成がＧａＰ　のモル分率で０．５１
〜０．７５の範囲になるようにすればよい。しかし、Ｉ
ｎ溶媒中にＧａとＩｎＰ　を加えた溶液ではメルトバッ
クが生じるため、ＩｎＰ　とＧａＰ　の溶液でＧａＩｎ
Ｐ　層を作製する方がより好ましい。

【００１９】ＧａＩｎＰ　層に混入するドーパントは、
ｐ層ではＧｅ、Ｂｅ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｚｎなどのアクセプ
タ不純物、ｎ層ではＳ、Ｔｅ、Ｓｎ、Ｓｅなどのドナー
不純物であり、ドーパントの量は、設定キャリヤ濃度に
よって決まる。

【００２０】一方、キャップ層に混入するドーパント（
Ｓｉ）の量は１０１７〜１０１９／ｃｍ３　程度、好ま
しくは１０１８／ｃｍ３　程度である。添加するＳｉの
量は、成長する温度における偏析係数および設定キャリ
ヤ濃度によって決まる。 なお、スライドボード法によりキャップ層の厚みを１〜
２０μｍとすることが可能であるが、２〜１０μｍとす
ることが適切である。

【００２１】ｐ層およびｎ層は、ＬＰＥ以外にＭＯＣＶ
ＤやＭＢＥなどの気相成長法により成長させてもよく、
このようにして得られたＧａＩｎＰ　層上にさらにＳｉ
ドープＧａＩｎＰキャップ層をＬＰＥにより形成するこ
とも可能である。

【００２２】Ｓｉの働きは科学的には究明されていない
が、ＧａＡｓＰ　基板上のクロスハッチパターンを形成
している格子状のリッジや、ＧａＡｓＰ　基板中に多数
存在している転位のエピタキシャル層中への伝播を妨げ
る働きをしていることは実験的事実である。

【００２３】

【実施例】以下、本発明に係る半導体材料を図面に基づ
いて詳細に説明する。

【００２４】図１は、ＧａＡｓＰ　基板１上に、ｐ型Ｇ
ａＩｎＰ　層（ｐ層）２、ｎ型ＧａＩｎＰ　層（ｎ層）
３およびキャップ層４を成長させた本発明の半導体材料
の構造を示し、図２は、本発明の材料を製造する際に使
用される結晶成長装置の概略を示す。

【００２５】まず、ＧａＰ　のモル分率で表すと０．０
５〜０．４５の混晶組成のＧａＡｓＰ　を、（１００）
　または（１１１）　の面方位のＧａＰ　またはＧａＡ
ｓ基板上に成長させたＧａＡｓＰ　基板１を用意する。 基板の混晶比は、設定したＧａＩｎＰ　混晶の組成に格
子整合する組成から一意に決まる。

【００２６】このＧａＡｓＰ　基板１を用いてスライド
ボード法によりｐ型ＧａＩｎＰ　層２（以下、「第二層
」ともいう。）、ｎ型ＧａＩｎＰ　層３（以下、「第三
層」ともいう。）およびキャップ層４（以下、「第四層
」ともいう。）を成長させる。

【００２７】図２に示す如き結晶成長装置のスライダ１
３に、該ＧａＡｓＰ　基板１をセットする。そして化学
エッチングおよび洗浄によって清浄化した所定量のＩｎ
、ＩｎＰ　、ＧａＰ　およびＺｎなどのアクセプタ不純
物をスライドボート１０の溶液溜１１ａに挿入する。同
様に溶液溜１１ｂには、所定量のＩｎ、ＩｎＰ　、Ｇａ
Ｐ　およびＳｅなどのドナー不純物を挿入する。さらに
、溶液溜１１ｃには、キャップ層３となるＳｉドープＧ
ａＩｎＰ　層を成長するための所定量のＩｎ、ＩｎＰ　
、ＧａＰ　およびＳｉを挿入する。なお、溶液溜１１ａ
，１１ｂ，１１ｃ　に挿入する材料として、それぞれ予
め適当な方法を用いて充分に混合したＺｎ−Ｉｎ−Ｇａ
−Ｐ、Ｓｅ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｐ、Ｓｉ−Ｉｎ−Ｇａ−Ｐ合
金を用いても差し支えない。

【００２８】具体的な仕込量の例を挙げれば、第二層の
ｐ型ＧａＩｎＰ　層２においては、Ｉｎ３ｇに対してＩ
ｎＰ　６０ｍｇ、ＧａＰ　４０ｍｇ、Ｚｎ　０．０１　
〜０．１ｍｇ　、第三層のｎ型ＧａＩｎＰ　層３におい
ては、Ｉｎ３ｇに対してＩｎＰ　６０ｍｇ、ＧａＰ４０
ｍｇ、Ｓｅ　０．０５　〜０．２ｍｇ　、第四層のキャ
ップ層４においては、Ｉｎ３ｇに対してＩｎＰ　６０ｍ
ｇ、ＧａＰ　４０ｍｇ、Ｓｉ　０．０１　〜０．１　ｍ
ｇを仕込む。各々の溶液溜１１ａ，１１ｂ，１１ｃ　に
これらの材料を挿入した後、燐などの揮発を防止するた
めにフタ１６を各々の溶液溜１１ａ，１１ｂ，１１ｃ　
に取付ける。

【００２９】スライドボート１０は、たとえばパラジウ
ム膜を透過させるなど適当な方法で精製された高純度水
素、あるいは高純度窒素やアルゴンなどの不活性ガスを
通じた石英管１５内に設置されている。石英管１５内に
残留酸素や水蒸気が存在しないよう、充分上記ガスを通
じた後、電気炉１２によってそれぞれの層の成長温度よ
り多少高い温度、たとえば２〜２０℃程度高い温度に当
該成長用材料を加熱し、かつその温度で一定時間（たと
えば２〜４時間）保つことによって、それぞれの成長用
溶液の均質化をはかる。

【００３０】しかる後、第二層の成長開始温度たとえば
８２０　℃まで適当な速度０．０１〜２．０　℃／分で
徐々に冷却する。このとき第二層の成長用のＩｎ溶液が
、ＧａＩｎＰ　が飽和あるいはほぼ飽和に近い過飽和の
状態となるように、該仕込み組成は調製されている。そ
の後、スライダ操作棒１７を用いてスライダ１３を動か
し、ＧａＡｓＰ　基板１を溶液溜１１ａの真下に移動さ
せ、溶液溜１１ａ　内の成長溶液とＧａＡｓＰ　基板１
とを接触させる。

【００３１】溶液は適当な速度たとえば０．０１〜２．
０　℃／分で徐冷されているので、溶液中ではＧａＩｎ
Ｐ　が過飽和になり、それがＧａＡｓＰ　基板１上に析
出されて、ｐ型ＧａＩｎＰ　層２が成長する。この第二
層が適当な厚み、たとえば１５μｍ程度になった時点で
スライダ１３を動かし、ＧａＡｓＰ　基板１を溶液溜１
１ｂの真下に移動させて、第三層のｎ型ＧａＩｎＰ　層
３の成長を行なう。同じく、厚みが所定の値、たとえば
１５μｍ程度になった時点で再びスライダ１３を動かし
、ＧａＡｓＰ　基板１を溶液溜１１ｃの真下に移動させ
て、第四層のＳｉドープＧａＩｎＰ　（キャップ）層４
の成長を行なう。そして、厚みが所定の値、たとえば５
μｍ程度になった時点で再びスライダ１３を動かし、溶
液溜１１ｃの成長溶液をＳｉドープＧａＩｎＰ　層４の
表面から離れさせて、両者が接触しないようにすること
によって成長を終了する。

【００３２】以上の操作により、所定のＧａＩｎＰ　混
晶組成たとえばＧａＰ　を７０モル％含む組成のＧａＩ
ｎＰ　層２，３、引き続いてＳｉドープＧａＩｎＰ　層
４を得ることができる。

【００３３】ｎ型ＧａＩｎＰ　層３は、転位密度（ＥＰ
Ｄ）にして１×１０４　ｃｍ−２以上の転位を有し、ク
ロスハッチを形成する格子状のリッジの段差は約２μｍ
であったが、ＳｉドープＧａＩｎＰ　（キャップ）層４
はＥＰＤにして１×１０３　ｃｍ−２以下に、該リッジ
の段差は０．５　μｍ以下にそれぞれ低減していた。

【００３４】以上の如き製造例によって得られた第四層
目のＳｉドープＧａＩｎＰ　層４は、Ｓｉが不純物とし
て混入するので、得られたＧａＩｎＰ　結晶の伝導型は
通常ｎ型を示す。 従って、図３に示すように、ＳｉドープＧａＩｎＰ　層
４をキャップ層兼ｎ型ＧａＩｎＰ　層として用いること
も可能である。

【００３５】また、ＳｉドープＧａＩｎＰ　層を成長す
るための溶液に、適当な不純物を添加することによって
、伝導型やキャリア濃度などを任意に制御することも可
能である。たとえばアクセプタ不純物（Ｚｎなど）を添
加することにより、Ｓｉによるドナー濃度を補償し、伝
導型をｐ型に反転することができるので、ＳｉドープＧ
ａＩｎＰ　層４を図４のようにキャップ層兼ｐ型ＧａＩ
ｎＰ　層として用いることも可能である。

【００３６】さらに、図５に示すように、（Ａｌ）Ｇａ
ＩｎＰ　活性層６およびＡｌＧａＩｎＰ　クラッド層５
，７をＬＰＥ法ではなく、ＭＯＣＶＤやＭＢＥなどの気
相成長法により成長させてダブルヘテロ接合のデバイス
とし、その上にＬＰＥ法（例えばスライドボード法）に
より、ＳｉドープＧａＩｎＰ　（キャップ）層４を成長
させることも可能である。

【００３７】上述においては、種子結晶基板としてＧａ
ＡｓＰ　の（１００）面あるいは（１１１）　面を使う
例で説明したが、その他任意の面を使用することができ
る。また、オフ基板であってもジャスト基板であっても
よいが、望ましくは１〜５度のオフアングルを持った基
板の方が表面モホロジーは良好である。

【００３８】

【発明の効果】本発明の半導体材料は、以上説明したよ
うに構成されているので、以下のような効果を奏する。

【００３９】ＧａＡｓＰ　基板には特有なクロスハッチ
パターンを形成する格子状のリッジ、および高密度のミ
スフィット転位が多数存在している。そのため、当該基
板上に多層を形成しても表面モホロジーの改善はされ難
く、平坦な界面は得られず、また転位も伝播していく。

【００４０】しかし、ＧａＩｎＰ　エピタキシャル層を
形成する際にＳｉをドーピングすることによって、低転
位密度でかつ表面が平坦な層を得ることができる。また
、ドーパント（Ｓｉ）の濃度を高濃度とすることが可能
であり、ＧａＩｎＰ　エピタキシャル層と電極との間の
接触抵抗を減少させることができる。従って、本発明の
半導体材料の上に電極を設けてＬＥＤまたはＬＤを作製
した場合、電極の密着性およびオーミック性が良好であ
り、その性能および信頼性を著しく向上させることがで
きる。

【００４１】また、ＧａＡｓＰ　基板の混晶比を適当に
選択することにより、多種多様な格子定数の基板を作製
することができ、様々な用途に応用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す半導体素子材料の断面
図である。

【図２】本発明の材料を製造する際に使用される結晶成
長装置の概略断面図である。

【図３】本発明の変更実施例の半導体素子材料の断面図
である。

【図４】本発明の変更実施例の半導体素子材料の断面図
である。

【図５】本発明の変更実施例の半導体素子材料の断面図
である。

【符号の説明】

１　　　　　　　　　　　　　　：ＧａＡｓＰ基板２　
　　　　　　　　　　　　　：ｐ型ＧａＩｎＰ層３　　
　　　　　　　　　　　　：ｎ型ＧａＩｎＰ層４　　　
　　　　　　　　　　　：キャップ層（ＳｉドープＧａ
ＩｎＰ層） ５　　　　　　　　　　　　　　：ｐ型ＡｌＧａＩｎＰ
層６　　　　　　　　　　　　　　：ｐ型（Ａｌ）Ｇａ
ＩｎＰ層７　　　　　　　　　　　　　　：ｎ型ＡｌＧ
ａＩｎＰ層１０　　　　　　　　　　　　　　：スライ
ドボート１１ａ、１１ｂ、１１ｃ：溶液溜

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ＧａＡｓＰ　基板上に、少なくともＧ
   ａＩｎＰ　混晶を主成分とする層およびＳｉドープＧａ
   ＩｎＰ　混晶を主成分とするキャップ層が順次形成され
   てなる半導体材料。