(57)【要約】【課題】エピタキシャルウェハの電流分散層における膜質の低下を抑制し、チップ全体に電流を分散させて発光効率を高めることができる発光ダイオード用エピタキシャルウェハを提供する。【解決手段】本発明に係るAlGaInP系半導体発光ダイオード用エピタキシャルウェハは、n型単結晶基板上に、AlGaInP系材料からなるn型クラッド層と活性層とp型クラッド層と、中間層と、p型GaP電流分散層とを少なくとも有する発光ダイオード用エピタキシャルウェハであって、前記p型クラッド層が、前記n型単結晶基板と略同じ格子定数を有する下部p型クラッド層と、前記下部p型クラッド層よりも大きい格子定数を有する上部p型クラッド層とからなることを特徴とする。【選択図】図１
2011003751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
n型単結晶基板上に、AlGaInP系材料からなるn型クラッド層と活性層とp型クラッド層と、中間層と、p型GaP電流分散層とを少なくとも有する発光ダイオード用エピタキシャルウェハであって、
前記p型クラッド層が、前記n型単結晶基板と略同じ格子定数を有する下部p型クラッド層と、前記下部p型クラッド層よりも大きい格子定数を有する上部p型クラッド層とからなることを特徴とするAlGaInP系半導体発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。
【請求項２】
前記上部p型クラッド層の膜厚が、クロスハッチを生じさせない臨界膜厚以下であることを特徴とする請求項１に記載のAlGaInP系半導体発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。
【請求項３】
前記上部p型クラッド層が、(AlxGa1-x)yIn1-yP（0.7＜x≦1、0.25＜y＜0.46）であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のAlGaInP系半導体発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。
【請求項４】
前記中間層は、前記活性層の直上に成長された前記p型クラッド層と前記p型GaP電流分散層との間に形成され、その格子定数が前記n型単結晶基板の格子定数よりも小さくかつ前記p型GaP電流分散層の格子定数よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のAlGaInP系半導体発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。
【請求項５】
加熱されたn型単結晶基板上に、必要とするIII族原料ガス、Ｖ族原料ガス、キャリヤガスおよびドーパント原料ガスを供給して、前記n型単結晶基板上に、AlGaInP系材料からなるn型クラッド層と活性層とp型クラッド層と、中間層と、p型GaP電流分散層とを少なくとも成長させる発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法において、
前記p型クラッド層を成長させる工程は、前記n型単結晶基板に格子整合させる条件により下部クラッド層を成長させる工程と、その後、格子定数が前記n型単結晶基板の格子定数よりも大きくなるような条件で上部クラッド層を成長させる工程とからなることを特徴とするAlGaInP系半導体発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法。
【請求項６】
前記上部クラッド層を成長させる工程は、クロスハッチを生じさせない臨界膜厚以下で成長させる条件を含むことを特徴とする請求項５に記載のAlGaInP系半導体発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法。
【請求項７】
前記上部p型クラッド層が、(AlxGa1-x)yIn1-yP（0.7＜x≦1、0.25＜y＜0.46）であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載のAlGaInP系半導体発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード用エピタキシャルウェハに関し、特にp型クラッド層の構成を改良したAlGaInP系エピタキシャルウェハおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（LED）は、高輝度の発光が得られ、半導体の種類を適宜選択することにより発光波長を制御できる特長を有することから、産業用や民生用の表示素子として広く用いられている。発光ダイオードの一つとして、可視光領域で発光するAlGaInP系発光ダイオードの研究が進められている。
【０００３】
AlGaInP系のLED用エピタキシャルウェハは、有機金属気相成長法（MOVPE法）を用いて作製されることが多い。MOVPE法とは、基板をヒータ等で加熱し、そこにIII族原料ガスやＶ族原料ガスをキャリヤガス（例えば、水素や窒素）と共に供給し、熱分解反応により該基板上へ結晶膜（エピタキシャル層）を配列よく成長させる方法である。
【０００４】
MOVPE法を用いてAlGaInP系のダブルへテロ構造のLEDを作製する従来方法は、例えば、650℃に加熱したn型GaAs単結晶基板上に、n型AlGaInPクラッド層と、発光部となるアンドープAlGaInP活性層と、p型AlGaInPクラッド層と、GaPからなる電流分散層とを積層させてエピタキシャルウェハを作製する。こうして作製したエピタキシャルウェハをチップ形成プロセスにかけ、基板側にn型の裏面電極を形成し、電流分散層上にp型の表面電極を形成した後、該ウェハを切断して、LEDチップを作製している。
【０００５】
LEDチップにおいて、電極から注入されたキャリヤは活性層に注入され発光する。その際に、前記電流分散層上に形成した表面電極と活性層との間のエピタキシャル層の抵抗が高い場合、キャリヤが電極直下の領域の活性層のみに注入され、該電極直下の領域のみが発光領域となる。そのような場合、電極直下で発光した光は電極に遮られてチップからの取り出しが困難になり、結果として発光効率が低下する。
【０００６】
電流を活性層全体に均一に分散するようにするためには、表面電極と活性層との間のエピタキシャル層の抵抗を低くするか、エピタキシャル層の膜厚を厚くして電流の拡散を広げることが考えられる。しかし、表面電極と活性層との間のエピタキシャル層の抵抗を下げるため、該エピタキシャル層に不純物ドーピングを過剰に行うと結晶欠陥が生じ、膜質が低下するという問題があった。また、エピタキシャル層の膜厚を厚くする場合にも、格子不整合に起因する結晶欠陥が生じやすくなる問題があった。
【０００７】
そこで、エピタキシャル層の膜質を低下させることなく、電極から注入されるキャリヤを活性層全体に均一に拡散させる方法が考えられてきた。例えば、特許文献１では、基板と裏面電極との間に、表面電極と中心を一致させた導電性または絶縁性を有する電流阻止層を設けたLED用エピタキシャルウェハが提案されている。特許文献１によると、該電流阻止層を設けることによってチップ周辺部まで電流を広げることができるとしている。
【０００８】
また、特許文献２では、GaAsを基板とし、その上にGaAsと格子整合するAlGaInP系の材料からなる下部クラッド層、活性層および上部クラッド層を有し、さらにGaAsとは格子整合しないAlGaInP系の中間バンドギャップ層および２層以上の電流拡散層を有するエピタキシャルウェハにおいて、該活性層に最も近い電流拡散層のキャリヤ密度が、従来技術よりも高い1〜3×1018cm-3以下であり、該活性層に最も遠い電流拡散層のキャリヤ密度が、従来よりも高い1〜2×1019cm-3であるエピタキシャルウェハが提案されている。特許文献２によると、キャリヤ密度を従来よりも高めることによって、電流を十分に拡散させることができ、これにより無効電流を減少させ、発光効率を高めることができるとしている。また、中間バンドギャップ層と電流拡散層の成長温度を活性層やクラッド層の成長温度よりも高くし、また成長速度を下げることで電流拡散層成長初期に発生する欠陥密度が少なくなり、電流拡散層を最上層まで表面状態よく形成することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−４７７６０号公報
【特許文献２】特開２００２−２８０６０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
AlGaInP系のLED用エピタキシャルウェハを作製する場合、p型クラッド層は膜質を低下させないために、通常、GaAs基板（格子定数5.653Å）に格子整合するような条件で成長させることが多い。この場合、GaP（格子定数5.451Å）からなる電流分散層とは格子不整合率が大きくなるため、GaP電流分散層の膜質が低下しやすい（例えば、歪みを緩和するためにクロスハッチが発生する）。その結果、電流分散層の電気抵抗が増大し、順方向電圧の上昇や、電流分散が十分に行われないために発光効率低下するという問題が生じる。
【００１１】
以上のような背景の下、本発明の目的は、上記の問題を解決できる新たな発光ダイオード用エピタキシャルウェハおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記目的を達成するため、n型単結晶基板上に、AlGaInP系材料からなるn型クラッド層と活性層とp型クラッド層と、中間層と、p型GaP電流分散層とを少なくとも有する発光ダイオード用エピタキシャルウェハであって、
前記p型クラッド層が、前記n型単結晶基板と略同じ格子定数を有する下部p型クラッド層と、前記下部p型クラッド層よりも大きい格子定数を有する上部p型クラッド層とからなることを特徴とするAlGaInP系半導体発光ダイオード用エピタキシャルウェハを提供する。
【００１３】
また、本発明は上記目的を達成するため、上記の本発明に係るAlGaInP系半導体発光ダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、以下のような改良や変更を加えることができる。
（１）前記上部p型クラッド層の膜厚が、クロスハッチを生じさせない臨界膜厚以下である。
（２）前記上部p型クラッド層が、(AlxGa1-x)yIn1-yP（0.7＜x≦1、0.25＜y＜0.46）である。
（３）前記中間層は、前記活性層の直上に成長された前記p型クラッド層と前記p型GaP電流分散層との間に形成され、その格子定数が前記n型単結晶基板の格子定数よりも小さくかつ前記p型GaP電流分散層の格子定数よりも大きい。
【００１４】
また、本発明は、上記目的を達成するため、加熱されたn型単結晶基板上に、必要とするIII族原料ガス、Ｖ族原料ガス、キャリヤガス及びドーパント原料ガスを供給して、前記n型単結晶基板上に、AlGaInP系材料からなるn型クラッド層と活性層とp型クラッド層と、中間層と、p型GaP電流分散層とを少なくとも成長させる発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法において、
前記p型クラッド層を成長させる工程は、前記n型単結晶基板に格子整合させる条件により下部クラッド層を成長させる工程と、その後、格子定数が前記n型単結晶基板の格子定数よりも大きくなるような条件で上部クラッド層を成長させる工程とからなることを特徴とするAlGaInP系半導体発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法を提供する。
【００１５】
また、本発明は上記目的を達成するため、上記の本発明に係るAlGaInP系半導体発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（４）前記上部p型クラッド層を成長させる工程は、クロスハッチを生じさせない臨界膜厚以下で成長させる条件を含む。
（５）前記上部p型クラッド層が、(AlxGa1-x)yIn1-yP（0.7＜x≦1、0.25＜y＜0.46）である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、LED用エピタキシャルウェハにおける電流分散層でのクロスハッチの発生を抑制することができ、該電流分散層の電気抵抗の上昇を抑制することによって、チップ全体に電流分散が十分に行われてLEDの発光効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係るAlGaInP系エピタキシャルウェハの構造例を示す断面模式図である。
【図２】比較例１のAlGaInP系エピタキシャルウェハの構造例を示す断面模式図である。
【図３】比較例２のAlGaInP系エピタキシャルウェハの構造例を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明者らは、電流分散層における膜質低下を抑制するためには、電流分散層と活性層との間に中間層を挿入することに加えて、p型クラッド層においても格子定数制御を行うことが有効であることを見出し、本発明を完成した。以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施の形態に限定されるものではない。
【００１９】
（AlGaInP系エピタキシャルウェハの構造）
図１は、本発明に係るAlGaInP系半導体発光ダイオード用エピタキシャルウェハの構造例を示す断面模式図である。図１に示すように、本発明に係るAlGaInP系半導体LED用エピタキシャルウェハ11は、n型GaAs単結晶基板2上に、SeをドープしたGaAsバッファ層3、Seをドープしたn型AlGaInP系クラッド層4、発光部となるアンドープAlGaInP系活性層5、Mgをドープしたp型AlGaInP系クラッド層6、中間層7、およびMgをドープしたGaPからなる電流分散層8を順次積層したものである。
【００２０】
p型AlGaInP系クラッド層6は、GaAsと格子整合する条件で成長させた（GaAsと略同じ格子定数を有する）下部p型クラッド層6aと、格子定数がGaAsの格子定数よりも大きくなるような条件で成長させた（GaAsよりも大きい格子定数を有する）上部p型クラッド層6bとからなる。下部p型クラッド層6aは、十分な光の閉じ込め効果を得るために、GaAsと格子整合するように組成が(AlxGa1-x)0.51In0.49P（0.7≦x≦1）となるように成長を行う。上部p型クラッド層6bは、格子定数がGaAsの格子定数よりも大きくなるような組成で成長を行うが、上部p型クラッド層6b自体にクロスハッチ等が発生しないように臨界膜厚以下で成長させる。なお、臨界膜厚は結晶の歪み量により変動することから（歪み量が大きくなるほど臨界膜厚が薄くなる）、成長における膜厚の制御性を考慮して上部p型クラッド層6bの組成を設計することが好ましい。
【００２１】
上部p型クラッド層6bの上に、GaAsよりも小さい格子定数を有する中間層7を積層する。中間層7における歪みは、上部p型クラッド層6bの歪みに対して逆方向であるため中間層7の歪みが補償され、臨界膜厚（クロスハッチが発生しない限界の膜厚）を厚くすることができる。言い換えると、GaAsと略同じ格子定数を有する下部p型クラッド層6aとGaAsよりも小さい格子定数を有する中間層7との間にGaAsよりも大きい格子定数を有する上部p型クラッド層6bを介在させることで、全体としての歪みを補償することができる。
【００２２】
MOVPE法によるエピタキシャル成長では、雰囲気等の成長炉内の環境が変化すると成長速度が変化し、各エピタキシャル層の膜厚が設計よりも厚くなる場合がある。それにより、歪みを受けやすいエピタキシャル層（例えば、中間層）において臨界膜厚を超え、クロスハッチが発生してしまう問題があったが、本発明による全体としての歪みを補償する構造により各エピタキシャル層の臨界膜厚を厚くすることが可能となり、成長速度が多少変化した場合でも、クロスハッチを生じさせずに成長させることができる。
【００２３】
（製造方法）
次に、本発明に係るAlGaInP系半導体発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法の１例について説明する。全体の流れとしては、MOPVE法を用いて、650℃に加熱したn型GaAs単結晶基板2上に、Seをドープしたn型AlGaInP系クラッド層3、発光部となるアンドープAlGaInP系活性層4、Mgをドープしたp型AlGaInP系クラッド層6、中間層7、およびMgをドープしたGaPからなる電流分散層8を順次積層する。III族原料ガスとしては、例えば、TMG（トリメチルガリウム）、TMA（トリメチルアルミニウム）、TMI（トリメチルインジウム）を用いることができ、Ｖ族原料ガスとしては、例えば、AsH3（アルシン）、PH3（ホスフィン）を用いることができる。ドーパント原料ガスとしては、例えば、H2Se（セレン化水素）を必要に応じて供給する。また、キャリヤガスとしては水素を用いることができる。
【００２４】
p型AlGaInP系クラッド層6の形成においては、まずGaAsに格子整合する条件で下部p型クラッド層6aとして(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49Pを成長させる。その後、AlとGaの組成比を一定に保ったままInに対する供給量を減少させ、GaAsよりも格子定数が大きくなるように上部p型クラッド層6b（例えば、(Al0.7Ga0.3)0.44In0.56P）を積層して形成する。上部p型クラッド層6bは、膜厚を厚くし過ぎるとクロスハッチが発生してしまうため、臨界膜厚以下となるように制御する必要がある。例えば、上部p型クラッド層6bの膜厚を計算上の臨界膜厚より2 nm薄い膜とする。これにより、中間層7の実質的な臨界膜厚が、計算上の臨界膜厚よりも余裕を持つことが可能となる。
【実施例】
【００２５】
本発明に係るAlGaInP系半導体LED用エピタキシャルウェハにおけるクロスハッチの低減効果を確認するため、以下のような実験を行った。
【００２６】
実施例１として、上述した製造方法に沿って評価用のエピタキシャルウェハを作製した（図１参照）。比較例１として、図２に示すように、上部p型クラッド層を成長せずに、GaAsと格子整合する条件で形成されたp型クラッド層26上に中間層7を形成したAlGaInP系半導体LED用エピタキシャルウェハ21を作製した。比較例２として、図３に示すように、GaAsよりも小さい格子定数を有する上部p型クラッド層36b（(Al0.7Ga0.3)0.53In0.47P）を形成したAlGaInP系半導体LED用エピタキシャルウェハ31を作製した。なお、比較例１および比較例２において、その他の条件は実施例１と同じとした。
【００２７】
実施例１、比較例１および比較例２の各ウェハ表面（電流分散層）において、クロスハッチの有無を確認した。その結果、実施例１のウェハの表面にはクロスハッチが発生していなかった。これに対し、比較例１のウェハの表面には、ウェハ周縁2 mm程度の領域にクロスハッチが発生していた。また、比較例２のウェハ31の表面は、比較例１よりも広範囲（ウェハのエッジから20 mm程度まで）にクロスハッチが発生していた。
【００２８】
以上のことから、GaAsと略同じ格子定数を有する下部p型クラッド層とGaAsよりも小さい格子定数を有する中間層との間に、GaAsよりも大きい格子定数を有する上部p型クラッド層を介在させることが、エピタキシャルウェハ全体としての歪みを低減することに有効であることが実証された。
【符号の説明】
【００２９】
11，21，31…AlGaInP系半導体発光ダイオード用エピタキシャルウェハ、
2…n型GaAs基板（Siドープ）、
3…GaAsバッファ層（Seドープ）、
4…n型AlGaInP系クラッド層（Seドープ）、
5…アンドープAlGaInP系クラッド層、
6，26，36…p型AlGaInP系クラッド層（Mgドープ）、
6a…GaAsと略同じ格子定数を有する下部p型クラッド層、
6b…GaAsよりも大きい格子定数を有する上部p型クラッド層、
36b…GaAsよりも小さい格子定数を有する上部p型クラッド層、
7…中間層、
8…GaP電流分散層。
【図１】
2011003751.tif 000003
【図２】
2011003751.tif 000004
【図３】
2011003751.tif 000005