(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＺｎＡｓ2を拡散ソースとしてｎ型のＧａＡｓ1-XＰX（０＜Ｘ≦１）化合物半導体へＺｎを封管法により拡散させｐ型層を形成する不純物拡散層の製造方法において、前記ＧａＡｓ1-XＰX化合物半導体の内部へＺｎが内部拡散可能な温度域で所定の時間継続して加熱する内部拡散加熱工程と、この工程の後に続いて前記内部拡散加熱工程と同一雰囲気でＺｎがＧａＡｓ1-XＰX化合物半導体の表面に拡散しない温度である４５０〜６５０℃まで降温しこの温度で１０時間以上継続して熱処理する工程とを含む化合物半導体への不純物拡散層の製造方法。
【請求項２】
内部拡散加熱工程における加熱温度は８００℃であってその加熱時間を１２〜１５時間としてなる請求項１記載の化合物半導体への不純物拡散層の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばＧａＡｓ０．１５Ｐ０．８５の化合物半導体を利用した橙色の発光ダイオード等の製造に係り、特にｐ−ｎ接合部のキャリア濃度の制御が可能でしかもウェーハ表面近傍のＺｎ濃度を低くして発光輝度を向上し得る不純物拡散層の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
各種の色の発光ダイオードの中で、従来からＧａＡｓ１−Ｘ  ＰＸ  （０＜ｘ≦１）のガリウム砒素系化合物半導体が橙色の発光ダイオードとして利用されている。この橙色の発光ダイオードとしてＧａＡｓ０．１５Ｐ０．８５の半導体化合物が従来から多用されており、ｐ型不純物としてＺｎの拡散層を形成することによって発光輝度の向上が図られている。
【０００３】
このようなＺｎの拡散層の製造方法として、たとえば特開昭５６−１２６９１７号公報に記載されたものがあるが、この公報に記載の製造方法も含めて、Ｚｎの拡散層の表面濃度及びｐ−ｎ接合部のＺｎの量を低く抑えることが最も重要なことである。たとえば、Ｚｎ濃度の高い液相と平衡する気相において拡散が行なわれると、半導体化合物のウェーハの表面濃度が高くなり、ｐ−ｎ接合部からの発光が外に出るときに吸収されて発光輝度が低下する。したがって、Ｚｎ拡散層の表面濃度及びｐ−ｎ接合部のＺｎの量すなわちキャリア濃度を低く保つことが、発光ダイオードの製造においては欠かせない。
【０００４】
このようなＺｎ拡散層の表面濃度の低減のための方法は先の公報に記載のものもあるが、従来から広く行なわれてきた最も簡単な手法は、Ｚｎの拡散前にＳｉＯ２  の薄膜をウェーハの表面全面に付着形成させるというものである。このＳｉＯ２  の薄膜を利用するのは、ウェーハ表面からのＰ及びＡｓの解離を防ぐためであり、ＺｎＡｓ２  を拡散ソースとしてウェーハとともに石英管に挿入して封管し、所定の時間継続して炉内で加熱してＺｎを拡散させ、この拡散の後に自然冷却によって徐冷するプロセスがとられる。このようにＳｉＯ２  の薄膜を形成した上で加熱拡散の工程の後に徐冷するという操作であれば、ｐ−ｎ接合部のキャリア濃度を低下させることが可能である。すなわち、自然冷却法で徐冷することによって、半導体化合物の内部へのＺｎの拡散の進行を促してウェーハ表面近傍のＺｎの量を下げ、同時にｐ−ｎ接合部近傍のＺｎの量も低減することが可能である。
【０００５】
以上のようなウェーハ表面のＺｎの量の低減及びｐ−ｎ接合部近傍のＺｎ濃度の低減によって、ｐ−ｎ接合部からの発光の吸収割合を下げることができ、発光輝度が向上することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ＳｉＯ２  を形成して拡散の後に徐冷する方法や先に掲げた公報に記載の製造方法においては、ウェーハ表面とｐ−ｎ接合部の近傍の領域のＺｎに対して、その量を絶対的に減らす操作ができるというものに過ぎない。すなわち、発光ダイオードの製造において最も重要な発光輝度の向上を目的とすることから、このようなＺｎの拡散層のウェーハ表面及びｐ−ｎ接合部近傍での量の低減は有効といえるものの、Ｚｎの濃度分布や厚さを操作して最適化を図ることはできない。したがって、Ｚｎの拡散処理によって発光ダイオードの発光輝度を上げることはできるが、その向上にも限界がある。
【０００７】
このように、従来の製造方法では、ウェーハの表面及びｐ−ｎ接合域のＺｎの量を下げるという操作のみなので、発光輝度を上げる傾向の製造は可能であるものの、最適化が十分になされているとはいえない。
【０００８】
そこで、本発明は、Ｚｎの拡散層の分布や濃度を発光輝度の向上に更に貢献できるようにしてより好適な発光ダイオードが得られる化合物半導体への不純物拡散方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ＺｎＡｓ２  を拡散ソースとしてＧａＡｓ化合物へＺｎを封管法により拡散させる不純物拡散層の製造方法において、ＧａＡｓ化合物の内部へＺｎが内部拡散可能な温度域で所定の時間継続して加熱する内部拡散加熱工程と、この工程の後に続いてＺｎがＧａＡｓ化合物の表面に拡散しない温度まで降温しこの温度雰囲気でそのまま所定の時間継続して熱処理する工程とを含むことを特徴とする。
【００１０】
この方法によれば、Ｚｎをウェーハ等の化合物の内部まで拡散させた後に、ウェーハ表面からＺｎの拡散が起こらない温度まで降温して焼きなましのように熱処理することにより、ウェーハの表面から一旦内部に拡散されたＺｎを外方拡散させることができ、ｐ−ｎ接合域のキャリア濃度の低減が可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、ＺｎＡｓ2を拡散ソースとしてｎ型のＧａＡｓ1-XＰX（０＜Ｘ≦１）化合物半導体へＺｎを封管法により拡散させｐ型層を形成する不純物拡散層の製造方法において、前記ＧａＡｓ1-XＰX化合物半導体の内部へＺｎが内部拡散可能な温度域で所定の時間継続して加熱する内部拡散加熱工程と、この工程の後に続いて前記内部拡散加熱工程と同一雰囲気でＺｎがＧａＡｓ1-XＰX化合物半導体の表面に拡散しない温度である４５０〜６５０℃まで降温しこの温度で１０時間以上継続して熱処理する工程とを含むものであり、所定の拡散温度でＺｎ拡散を行なった後の熱処理工程において、一旦内部拡散されたＺｎを外方拡散させると同時に内部拡散も同時進行させ、ＧａＡｓ化合物の表面及びｐ−ｎ接合部のキャリア濃度を低下させるという作用を有する。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１の発明において、内部拡散加熱工程における加熱温度は８００℃であってその加熱時間を１２〜１５時間としたものであり、温度及び加熱時間のそれぞれの最適化によって、キャリア濃度の低減及び高濃度部分を薄くできるという作用を有する。
【００１３】
以下に、本発明の実施の形態の具体例を図面を参照しながら説明する。
本発明においては、半導体ウェーハへのＺｎの拡散層の形成を従来から一般に行なわれている封管法をそのまま適用することができるもので、図１に本発明の製造に使用するアンプルとその挿入物の概略を示す。
【００１４】
図において、石英によって筒状に形成されたアンプル１の内部に石英ホルダ１ａを配置しておき、この石英ホルダ１ａの上にｎ型のＧａＡｓ０．１５Ｐ０．８５のウェーハ２が複数個の配列としてチャージされている。そして、アンプル１の最も奥側にはＺｎＡｓ２  の拡散ソース３が予め装入され、アンプル１内を真空装置によって３×１０−６ｔｏｒｒ程度に減圧してウェーハ２とともに封止部１ｂによって封止されている。なお、封止されたときのアンプル１内の内容積は８００ｃｍ３  程度であり、ウェーハ２の全数の合計重量は１４０ｇであり、拡散ソース３のＺｎＡｓ２  の重量は４００ｍｇ程度である。
【００１５】
ウェーハ２及び拡散ソース３を減圧下で封管して得られたアンプル１は、図２に示すように拡散炉Ｆ内に装入されて加熱される。この加熱により、アンプル１内では、加熱によりＺｎＡｓ２の拡散ソース３からＺｎとＡｓが蒸発し、アンプル１内に充満したＡｓがウェーハ２からＡｓの抜け（解離）を防ぎながら、Ｚｎがウェーハ２内に拡散される。すなわち、ウェーハ２内のＧａとＺｎが置き換わることになる。また、ＳｉＯ２  膜により、加熱及び冷却時のＡｓ及びＰのウェーハ２からの抜け（解離）を防ぐことができる。
【００１６】
ここで、拡散炉Ｆ内でのアンプル１の加熱及び冷却の温度パターンは、加熱開始から１２時間ほど経過するまでの期間を８００℃程度とし、その後好ましくは４５０℃〜６４０℃まで降温して加熱開始から２８時間程度経過するまで拡散炉Ｆ内で熱処理として焼なましの操作を行なう。そして、この焼なましの後には、拡散炉Ｆからアンプル１を搬出して水冷によって急冷する。
【００１７】
図３は従来法と本発明の製造方法のそれぞれによる場合のＺｎの拡散の状況の比較を示す模式図である。
【００１８】
同図の（ａ）は従来法による例であって、ウェーハのｎ型層４の上面に予めＳｉＯ２  膜５が形成された状態として図１に示したアンプル１の中に挿入され、拡散炉Ｆ内での加熱及びその後の自然冷却によって、ｎ型層４の上面とＳｉＯ２  膜５との間にＺｎの拡散層６が形成される。この従来法による製造では、加熱後に自然冷却するので、ｎ型層４の内部に拡散しているＺｎの拡散層に比べると、ｎ型層４の表面で拡散する層の方が高い濃度の高濃度部７ができる拡散パターンとなる。
【００１９】
すなわち、自然冷却法によって徐冷するので、Ｚｎのｎ型層４への拡散進行が促されるので、ウェーハ表面から見ればこの表面部分からＺｎがｎ型層４に移る割合が増えることから、表面部のＺｎの量を減らすことができる。そして、ｎ型層４との間のｐ−ｎ接合部８に臨む拡散Ｚｎはその上側の高濃度部７よりも濃度が小さいので、ｐ−ｎ接合部分においても拡散Ｚｎの量を低減したパターンが得られる。
【００２０】
これに対し、同図（ｂ）の本発明では、拡散炉において拡散加熱温度で加熱した後に、たとえば６００℃程度まで降温して２０時間程度またはそれ以上の時間をかけて拡散炉の中で焼なましした後、拡散炉から搬出して急冷する。
【００２１】
すなわち、本発明においては、拡散加熱温度に設定された拡散操作の期間では、従来法と同様にＺｎがｎ型層９の中に拡散していく。この場合、条件設定によっては、Ｚｎのｎ型層９への拡散の状況は同図の（ａ）に示す従来法と同じような分布となることも無論含まれ、ｐ−ｎ接合域もほぼ同じ域に形成されることになる。そして、この拡散加熱が完了してこれに続く焼なましの期間では、ｎ型層９に対して内部拡散したＺｎの一部が加熱の長時間の継続によって外部に向けて拡散を始める。これにより、拡散操作の初期ではｎ型層９の中に拡散していったＺｎの一部が外部拡散に至ると同時にｎ型層９の中においても残留するＺｎによる内部拡散が同時に進行していく。
【００２２】
このような焼きなましの操作によって、ｎ型層９の表面から外部拡散したＺｎによって高濃度の皮膜が形成され、ｐ−ｎ接合部８に臨んでいる内部拡散Ｚｎの層は外部拡散したＺｎの分だけ低減されているので、従来法に比べるとｐ−ｎ接合部分のキャリアを少なくすることができ、ｐ−ｎ接合面までのｐ型層の皮膜は薄くなる。また、ｎ型層９の表面に形成される外部拡散Ｚｎによる高濃度部１１は、外方拡散により高濃度部分のＺｎの絶対量が減り、なおかつ、ここから内部への拡散が進行するため、高濃度部分自体の厚みを薄くすることができる。
【００２３】
このように、本発明の製造方法によれば、ｎ型層９の表面に形成するＺｎの拡散層１０の膜厚自体を従来法に比べて薄くでき、しかも外部拡散によって形成される高濃度部１１も薄くした製品とすることができる。したがって、ｐ−ｎ接合域からの発光の吸収を抑えることができ、発光輝度の高い発光ダイオードを得ることができる。
【００２４】
【実施例】
図１において説明したアンプル１，ウェーハ２及び拡散ソース３を用いて、本発明の製造方法と従来法とを比較した。
【００２５】
図４は従来法と本発明法における拡散炉での熱操作による実測温度プロファイルであって、横軸に時間（Ｈ）及び縦軸に炉内温度（℃）をとって示す。
【００２６】
従来法では初期の拡散加熱温度は約８５０℃で４時間継続させたものとし、加熱拡散の後に拡散炉内また外部において自然冷却した。自然冷却の過程では、温度降下の変化率は初期では大きくて次第に減少していき、冷却開始から約１０〜１１時間を経過した後には４０℃程度の定常温度となって安定した。
【００２７】
一方、本発明法では、拡散加熱温度は従来法よりも５０℃程度低い８００℃に設定し、約１２時間継続してＺｎのｎ型層への内部拡散のための熱操作を行なった。そして、加拡散加熱の過程に引き続いて加熱温度を６００℃まで降温操作し、この温度で拡散加熱の時間と同じ約１４時間継続して焼きなましを実行し、更にこの後水冷によって急冷した。
【００２８】
図５は図４に示した温度プロファイルによる熱操作の場合のｎ型層内のキャリア濃度プロファイルを実測した線図であり、横軸に拡散深さ（μｍ）及び縦軸にキャリア濃度（ｃｍ−３）をとって示す。なお、このキャリア濃度プロファイルの実測は、プロファイルプロッターを測定装置として使用し、Ｃ−Ｖ法（容量−電圧法）による測定方法を用いて行なった。
【００２９】
この線図から明らかなように、本発明の製造方法を適用したものでは、従来法と比べると、キャリア濃度が小さくて拡散深さも浅いことが判る。したがって、先に説明したように、拡散加熱の期間にｎ型層の内部に拡散したＺｎが長時間の焼きなましによって、外部に拡散していくと同時に内部にも拡散を進行させることで、キャリア濃度の低減及びＺｎ拡散層が薄くなっていることが、この線図からも立証される。
【００３０】
図６は本発明の製造方法を適用して得た発光ダイオードと従来法によるものとの発光強度を相対的に比較したものである。
【００３１】
これから明らかなように、本発明の製造方法による場合、測定結果によってその最大値及び最小値の間でのばらつきがあるものの、従来法に比べて１．８倍程度の発光強度の増加が認められた。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、ＧａＡｓ化合物の内部に拡散したＺｎを熱処理によって外部拡散させることができるので、ｐ−ｎ接合域及び化合物（ウェーハ）の表面のキャリア濃度の低減及び高濃度部分の薄膜化が可能となり、発光輝度の大幅な改善が得られる。また、ｐ−ｎ接合部のキャリア濃度の低下におり、非発光再結合による無駄なキャリアの結合もなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造に使用するアンプルとその挿入物の概略を示す図
【図２】アンプルを拡散炉に装入した状態を示す模式図
【図３】従来法と本発明の製造方法のそれぞれによる場合のＺｎの拡散の状況の比較を示す模式図
【図４】従来法と本発明法における拡散炉での熱操作による実測温度プロファイルを示す図
【図５】図４に示した温度プロファイルによる熱操作の場合のｎ型層内のキャリア濃度プロファイルを実測した線図
【図６】本発明の製造方法を適用して得た発光ダイオードと従来法によるものとの発光強度を比較した図
【符号の説明】
１  アンプル
１ａ  石英ホルダ
１ｂ  封止部
２  ウェーハ
３  拡散ソース
４，９  ｎ型層
５    ＳｉＯ２  膜
６，１０  拡散層
７，１１  高濃度部
８  ｐ−ｎ接合部
【図１】
0003584714.tif 000002
【図２】
0003584714.tif 000003
【図３】
0003584714.tif 000004
【図４】
0003584714.tif 000005
【図５】
0003584714.tif 000006
【図６】
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