JPH08264467A - 窒素ドープGaPエピタキシャル層の成長方法 - Google Patents
窒素ドープGaPエピタキシャル層の成長方法Info
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Abstract
れた GaP層を成長させるにあたり、該 GaP層中の窒素濃
度を広い濃度領域において精度良く制御できる方法を提
供する。 【構成】 窒素の供給源としてアンモニア(NH3 )を
用い、液相エピタキシャル成長法により、窒素ドープGa
P エピタキシャル層を成長させる成長方法において、該
GaP エピタキシャル層中の窒素濃度[N]を下記数式
(1)によって制御することを特徴とする窒素ドープGa
P エピタキシャル層の成長方法。 [N]=[N0 ]・(V/V0 )a ‥‥‥‥(1) ただし、Vは窒素ドープGaP エピタキシャル層の成長速
度、V0 は窒素ドープGaP エピタキシャル層の基準成長
速度、[N0 ]はV=V0 の時の窒素ドープGaP エピタ
キシャル層の窒素濃度、aは定数である。
Description
イオードを製造する際に用いるGaP エピタキシャルウエ
ハに関するものであり、特にGaP エピタキシャル成長層
にアイソエレクトロニック・トラップとして窒素をドー
プする、窒素ドープGaP エピタキシャル層の成長方法に
関するものである。
板上に複数の半導体エピタキシャル成長層を形成してp
n接合を有する半導体エピタキシャルウエハを製造し、
これを素子化することにより得られる。このうち、緑色
発光するGaP 発光ダイオードはn型GaP 基板上にn型及
びp型のGaP 層を順次形成することにより製造したGaP
エピタキシャルウエハを用いて得ることができる。
板上に予めn型GaP エピタキシャル成長層を形成してな
る多層n型GaP 基板も含む)上に、GaP エピタキシャル
成長層(以下、GaP 層という)を形成する方法として
は、液相エピタキシャル成長法、例えばメルトバック法
液相エピタキシャル成長法が採用される。
長法とは、GaP 基板上にGa融液を配置し、その後、例え
ば950 ℃まで昇温して、前記GaP 基板の上部をGa融液中
に溶解させ、次に所定の降温速度で、例えば800 ℃まで
降温して、Ga融液中に溶解しているGaP をGaP 基板に析
出させてGaP 層を成長させる方法である。
り、pn接合を形成してもそのままでは発光効率が極め
て低いため、発光中心すなわちアイソエレクトロニック
・トラップとなる窒素を通常pn接合近傍のn型GaP 層
にドープして、発光効率を高くしている。
ャル成長時に、アンモニア(NH3) ガスを含むドープ雰囲
気ガスをGa溶液上に流す方法が行われている。化学反応
式(2)に示すように、Ga溶液上にNH3 ガスを含むドー
プ雰囲気ガスを流すと、GaとNH3 が反応してGa溶液中に
窒化ガリウム(GaN) が形成される。Ga溶液中にGaN の形
で取り込まれた窒素は、液相エピタキシャル成長に伴い
n型GaP 層中にドープされる。
GaP 層を有するGaP エピタキシャルウエハから製造され
たGaP 発光ダイオード(以下、GaP (N) 発光ダイオード
という)は、ピーク波長が567nm 前後の黄緑色光を発す
る。
GaP 層中の窒素濃度とGaP (N) 発光ダイオードの輝度と
の関係を示す。GaP (N) 発光ダイオードにおいては、n
型GaP 層中にドープされたアイソエレクトロニック・ト
ラップとなる窒素の濃度は、GaP (N) 発光ダイオードの
発光効率を左右する重要な因子であり、GaP に対する窒
素の固溶限界濃度までの範囲では、図4に示すように、
窒素の濃度が高いほどGaP (N) 発光ダイオードの輝度は
高くなる。このため、従来n型GaP 層中の窒素濃度を増
加させるために、ドープ雰囲気ガス中の NH3濃度を増加
させる方法が行われていた。
濃度との関係を示す。なお、図5のGaP層の成長条件
は、成長温度は950 ℃から800 ℃まで降温、成長速度は
30μm/時間である。ここで図5に示すように、ガス中
の NH3濃度が約0.07容量%以下の範囲においては、ガス
中の NH3濃度の増加と共にn型 GaP層中の窒素濃度は増
加するが、 NH3濃度が約0.07容量%を超える範囲では、
ガス中の NH3濃度が増加するにつれ、n型 GaP層中の窒
素濃度は逆に減少してしまうという現象が起こる。した
がって、従来技術すなわちドープ雰囲気ガス中の NH3濃
度を変化させて GaP層中の窒素濃度を制御する方法で
は、ガス中の NH3濃度が高い領域においてはGaP層中の
窒素濃度を高濃度に制御することは非常に困難であっ
た。
みてなされたものであり、液相エピタキシャル成長法
で、窒素ドープされた GaP層を成長させるにあたり、該
GaP層中の窒素濃度を広い濃度領域において精度良く制
御できる方法を提供することを目的とする。
ンモニア(NH3 )を用い、液相エピタキシャル成長法
により、窒素ドープGaP エピタキシャル層を成長させる
成長方法において、該GaP エピタキシャル層中の窒素濃
度[N]を下記数式(1)によって制御することを特徴
とする窒素ドープGaP エピタキシャル層の成長方法を要
旨とするものである。 [N]=[N0 ]・(V/V0 )a ‥‥‥‥(1) ただし、Vは窒素ドープGaP エピタキシャル層の成長速
度、V0 は、窒素ドープGaP 層の基準成長速度、[N
0 ]はV=V0 の時の窒素ドープGaP 層中の窒素濃度、
aは定数である。
GaP エピタキシャル層の導電型は例えばn型である。
囲気ガス中のNH3 濃度を変化させて GaP層中の窒素濃度
を制御する方法において、「ガス中のNH3 濃度が高い場
合(例えば0.07容量%を超える濃度)、ガス中のNH3 濃
度の増加と共に GaP 層中の窒素濃度が減少する」とい
う現象が起こる原因を検討した結果、液相エピタキシャ
ル成長法でドープ雰囲気ガス中のNH3 ガスにより窒素ド
ープn型 GaP層を成長させる場合、ガス中のNH3 濃度が
ある濃度(例えば前記した0.07容量%)を超えると、前
記化学反応式(2)で生じる GaNが、気相(NH3 /キャ
リアガス)と液相(Ga溶液)との界面すなわち液相エピ
タキシャル成長用Ga溶液の表面に GaN膜となって形成さ
れ、この GaN膜が、ガス中のNH3 ガスが液相(Ga溶液)
中に取り込まれるのを阻害すること、また、さらにガス
中のNH3 濃度を増加させると該 GaN膜がより厚く形成さ
れることが上記現象の起こる一主要因であることを見い
だした。
より大きくすることによって、 GaN膜が厚く形成される
までの間にNH3 ガスを液相(Ga溶液)中に充分に取り込
むことができ、ひいては成長したGaP 層中の窒素濃度を
広い濃度範囲、特に高濃度領域で精度良く制御できるこ
とを見いだし、本発明に至った。
ク法液相エピタキシャル成長法を例にとり、図を参照し
て説明する。図1は本実施例において用いる装置を示
す。本装置では、炉心管11に GaP層エピタキシャル成長
を行うボート12が配置される。このボート12には凹部15
が複数個設けられ、この凹部15の底部に GaP基板17が固
定され、更に凹部15には液相エピタキシャル成長用Ga融
液(またはGa溶液)16が満たされている。ボート12上部
には孔14を有するスライド13が設けられている。なお、
図1には一か所の凹部15のみ示し、他を省略する。
(またはGa溶液)16及びボート12(これら三者を以下、
成長系という。)を昇降温するための温度制御可能なヒ
ータ10が設けられている。炉心管11の一端部の開口部か
らは、NH3 、キャリアガス(例えばH2)、置換ガス(例
えばAr)等が炉心管11内に供給される。
よる窒素ドープGaP エピタキシャル層の成長方法につい
て、図2を参照して説明する。図2はその成長工程図で
あり、図1中のGaP 基板17及びGa融液(またはGa溶液)
16を含む系のみを示している。
(例えばTe不純物濃度2〜3×1017atoms/cm3 のn型Ga
P 基板)17の上部にGa融液16を配する。この時、前記成
長系の温度は600 ℃に設定する。
る。すると、n型GaP 基板17の上部は徐々にGa融液16中
に溶解し、Ga融液は、この温度におけるGaP の飽和Ga溶
液となる(図2(b))。
2(キャリアガス)とを混合させたガスを、前記炉心管1
1内に流入しながら、所定の降温速度で成長系の温度を9
50 ℃から800 ℃まで降温させることにより、Ga溶液16
中に溶解しているGaP をn型GaP基板17上に析出させ
る。かくして、窒素ドープn型GaP 層18がn型GaP 基板
17上に形成される(図2(c))。
窒素ドープn型GaP 層18を成長させた場合における、そ
の成長速度と前記n型GaP 層中の窒素濃度との関係を示
したものである。ただし、成長温度は950 ℃から800 ℃
まで降温、NH3 濃度0.085 容量%である。
程、n型GaP 層にドープされる窒素濃度が高くなり、成
長速度Vとn型GaP 層中の窒素濃度[N]とは極めて良
い相関関係を示し、その相関式は近似的に下記数式
(3)で表すことができる。
単位はμm/時間である。またV0 は、窒素ドープGaP
層の成長速度において適宜設定可能な基準成長速度、
[N0 ]はV=V0 の時の窒素ドープGaP 層中の窒素濃
度、aは定数である。たとえば、本実施例による方法で
成長させた図3の窒素ドープn型GaP 層を例とし、図3
中に矢印で示すV0 =30μm/時間に設定した場合、数
式(3)は下記数式(4)となる。
図3に示されるように、GaP 層の成長速度を増減させる
ことによりGaP 層中の窒素濃度を精度良く制御すること
が可能であるため、図3と図5との対比から、ガス中の
NH3 濃度の高い領域(例えば約0.07容量%を超える領
域)においても、GaP 層の成長速度を従来のそれより大
きくすることにより、GaP 層中にドープされる窒素濃度
を高くできることがわかる。
/時間、NH3 濃度0.085 容量%で窒素ドープn型GaP 層
を成長させた際の窒素濃度の値に着目する。この値は図
3及び図5において矢印で示しているものである。ここ
で図5における該矢印の、NH3 濃度は0.085 容量%、窒
素濃度の値は 1.6×1018atoms/cm3 であり、NH3 濃度0.
07容量%近傍での窒素濃度よりも低くなっている。しか
し図3によれば、例えば成長速度を30μm/時間から80
μm/時間にまで大きくすることにより、NH3 が0.085
容量%という高い濃度であっても該矢印の窒素濃度を2
×1018atoms/cm3 にまで高くすることができる。
広い濃度領域、特に高濃度領域において精度良く制御で
きるため、ドープ雰囲気ガス中のNH3 濃度が高い場合に
も、窒素濃度の充分大きい窒素ドープGaP エピタキシャ
ル層を精度良く成長させことができるので、このGaP 層
を有する緑色発光GaP (N) 発光ダイオードは、充分高い
輝度が得られるという効果がある。
である。
る。 (a)GaP 基板の上にGa融液を配する工程。 (b)GaP 基板上部がGa融液中に溶解する工程。 (c)溶解していたGaP がGaP 基板上に析出する工程。
速度とn型GaP 層中の窒素濃度との関係を示す図であ
る。
発光ダイオードの輝度との関係を示す図である。
の窒素濃度との関係を示す図である。
管 12 ボート 13 スラ
イド 14 孔 15 凹部 16 Ga融液またはGa溶液 17 GaP
基板 18 n型GaP エピタキシャル層
Claims (2)
- 【請求項1】 窒素の供給源としてアンモニア(NH
3 )を用い、液相エピタキシャル成長法により、窒素ド
ープGaP エピタキシャル層を成長させる成長方法におい
て、該GaP エピタキシャル層中の窒素濃度[N]を下記
数式(1)によって制御することを特徴とする窒素ドー
プGaP エピタキシャル層の成長方法。 [N]=[N0 ]・(V/V0 )a ‥‥‥‥(1) ただし、Vは窒素ドープGaP エピタキシャル層の成長速
度、V0 は、窒素ドープGaP 層の基準成長速度、[N
0 ]はV=V0 の時の窒素ドープGaP 層中の窒素濃度、
aは定数である。 - 【請求項2】 前記窒素ドープGaP エピタキシャル層の
導電型がn型であることを特徴とする、請求項1に記載
の窒素ドープGaP エピタキシャル層の成長方法。
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