(57)【要約】【課題】高温でのＩｏｐ（動作電流）が低く、かつ長時間一定に保たれた、信頼性の高い発光素子チップを多く取ることができる発光素子用エピタキシャルウエハ及び発光素子を提供することにある。【解決手段】基板上に、III族原料ガス、Ｖ族原料ガス、ドーピング原料をキャリアガスに含有させて供給し、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を含むエピタキシャル層を成長させた発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、上記ｎ型クラッド層中の炭素濃度が１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下であるものである。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、III族原料ガス、Ｖ族原料ガス、ドーピング原料をキャリアガスに含有させて供給し、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を含むエピタキシャル層を成長させた発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、上記ｎ型クラッド層中の炭素濃度が１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下であることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウエハ。
【請求項２】
上記ｎ型クラッド層成長時のＶ／III比を１００〜３００にした請求項１記載の発光素子用エピタキシャルウエハ。
【請求項３】
上記ｎ型クラッド層は、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰのいずれかからなる請求項１または２記載の発光素子用エピタキシャルウエハ。
【請求項４】
上記ｎ型クラッド層成長時のｎ型ドーピング原料として、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｔｅのうち少なくとも１つを用いた請求項１〜３いずれかに記載の発光素子用エピタキシャルウエハ。
【請求項５】
請求項１〜４いずれかに記載した発光素子用エピタキシャルウェハを用いて作製されたことを特徴とする発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に半導体レーザダイオード（ＬＤ：Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）、発光ダイオード（ＬＥＤ：Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）などの発光素子用のエピタキシャルウエハ（以下、エピウエハとも呼ぶ）及びそれを用いた半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＡｌＧａＩｎＰ系の化合物半導体結晶を用いたＬＤは、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、ＡｌＧａＡｓ系の化合物半導体結晶を用いたＬＤは、コンパクトディスク（ＣＤ）などの光ディスクシステムにおいて、読み取り用光源や書き込み用光源として広く用いられている。また、ＬＥＤはディスプレイ、リモコン、センサー、車載用ランプ等、様々な用途に用いられている。
【０００３】
化合物半導体結晶を成長する方法の１つに有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法がある。ＭＯＶＰＥ法は、III族有機金属原料ガスとＶ族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして成長炉内に導入し、成長炉内で加熱された基板付近で原料が熱分解されることで、基板上に化合物エピタキシャル層（半導体結晶）をエピタキシャル成長させる方法である。
【０００４】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３４６０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＬＤの特性の１つ、動作電流（Ｉｏｐ）はレーザーの既定の光出力を得るための順電流（例えば、バイアス電流やしきい値電流）である。Ｉｏｐは、長期間動作させても一定に保たなければならず、時間経過とともに高くなってしまうと、ＬＤがレーザーとして動作しなくなる場合がある。
【０００７】
また、ＬＤが高出力になれば、低出力レーザー以上に高温で動作することになるため、高温でのＩｏｐを低く、かつ長時間動作しても変化しないようにしなければならない。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、高温でのＩｏｐが低く、かつ長時間一定に保たれた、信頼性の高い発光素子チップを多く取ることができる発光素子用エピタキシャルウエハ及び発光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、基板上に、III族原料ガス、Ｖ族原料ガス、ドーピング原料をキャリアガスに含有させて供給し、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を含むエピタキシャル層を成長させた発光素子用エピタキシャルウェハにおいて、上記ｎ型クラッド層中の炭素濃度が１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下である発光素子用エピタキシャルウエハである。
【００１０】
請求項２の発明は、上記ｎ型クラッド層成長時のＶ／III比を１００〜３００にした請求項１記載の発光素子用エピタキシャルウエハである。
【００１１】
請求項３の発明は、上記ｎ型クラッド層は、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰのいずれかからなる請求項１または２記載の発光素子用エピタキシャルウエハである。
【００１２】
請求項４の発明は、上記ｎ型クラッド層成長時のｎ型ドーピング原料として、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｔｅのうち少なくとも１つを用いた請求項１〜３いずれかに記載の発光素子用エピタキシャルウエハである。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１〜４いずれかに記載した発光素子用エピタキシャルウェハを用いて作製された発光素子である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、発光素子の特性の１つである高温のＩｏｐを安定化させ、信頼性向上を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１６】
図１は、本発明の好適な実施形態を示す発光素子用エピタキシャルウェハの構造図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態に係る発光素子用エピタキシャルウェハ１は、ＭＯＶＰＥ装置（成長装置、成長炉、あるいは反応炉ともいう）を用いて作製されたＬＤエピウェハであり、基板２上に、III族およびＶ族原料ガスを用いて、III−Ｖ族化合物半導体結晶を成長させてなるエピタキシャル層３を形成したものである。
【００１８】
エピタキシャル層３は、バッファ層４、第２バッファ層５、ｎ型クラッド層６、ガイド層７、活性層８、第２ガイド層９、ｐ型第１クラッド層１０、エッチングストップ層１１、ｐ型第２クラッド層１２、中間層１３、コンタクト層１４を順次積層してなる。
【００１９】
バッファ層４と第２バッファ層５は、基板２とｎ型クラッド層６の格子不整を緩和するために形成する。ｎ型クラッド層６、ｐ型第１クラッド層１０、ｐ型第２クラッド層１２は、活性層８に隣接あるいは近接して形成される屈折率が低く、バンドギャップエネルギーが高い半導体層である。ガイド層７は活性層８を成長させる際の、第２ガイド層９はｐ型第１クラッド層１０を成長させる際のバッファ層として働く。中間層１３は、ｐ型第２クラッド層１２とコンタクト層１４の格子不整を緩和するために形成する。コンタクト層１４は、キャリア密度が高く、電極とオーミック接触を得るために形成する。
【００２０】
さて、本実施形態に係るエピウェハ１は、ｎ型クラッド層６中の炭素濃度が１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下である。より詳細には、ｎ型クラッド層６中の炭素濃度は、Ｖ族原料とIII族原料の供給量の比であるＶ／III比を制御することで変化させることができる。例えば、ｎ型クラッド層６成長時のＶ／III比を大きく（Ｖ族原料を多く）することにより、Ｃがエピタキシャル層中に取り込まれにくくなる。Ｖ／III比は１００〜３００、より好ましくは１５０〜２５０である。
【００２１】
Ｖ／III比を１００以上と設定することにより、有機金属由来のＣがエピ層中にオートドープされるのを抑制でき、Ｖ／III比をさらに３００超に設定しても、Ｃのオートドープ量は変わらず、コスト高の要因となるからである。
【００２２】
本実施形態に係るエピウエハ１は、Ｖ／III比＝１５０の条件で作製し、炭素濃度を１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下にした。
【００２３】
炭素濃度を１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下にしたのは、炭素濃度が１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 を超えると、添加した後述するドーピング原料が不活性化されるため、高温でのＩｏｐが高く（大きく）、かつ不安定になるからである。
【００２４】
ここで、エピタキシャル層３中の炭素濃度は、ＳＩＭＳ分析によって測定する。ＳＩＭＳとは、Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｉｏｎ  Ｍａｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ＝２次イオン質量分析のことである。ＳＩＭＳ分析は、Ｏ2+やＣｓ+のようなイオンを試料表面に照射し、スパッタされた原子の中でイオン化された２次イオンを質量分析することにより、物質の成分、不純物の分析を行う方法である。イオンによって試料表面がスパッタされるので、試料の表面からの深さ方向の原子濃度分布も得られる。
【００２５】
ｎ型クラッド層６、活性層８、ｐ型第１クラッド層１０、ｐ型第２クラッド層１２は、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰのいずれかからなる。
【００２６】
エピタキシャル層３のｐ型ドーピング原料としてはＺｎやＭｇを用い、ｎ型クラッド層６成長時のｎ型ドーピング原料としては、Ｓｉ、Ｓｅ、Ｔｅのうち少なくとも１つを用いる。
【００２７】
このエピウェハ１をチップ化し、コンタクト層１４上に電極を形成すると、発光素子としてのＬＤが得られる。
【００２８】
次に、エピウェハ１の製造方法を説明する。
【００２９】
まず、ＭＯＶＰＥ装置などの慣用の半導体製造装置の炉内に基板２をセットする。半導体製造装置には、III族およびＶ族原料ガス、ドーピング原料（ＣＢｒ4 ガスを含む）およびキャリアガスを炉内にそれぞれ供給する各ガス供給手段を接続しておく。
【００３０】
この状態で、基板２を加熱し、加熱した基板２上に、各ガス供給手段からIII族およびＶ族原料ガス、ドーピング原料（ＣＢｒ4 を含む）およびキャリアガスを供給し、上述した各層４〜１４を順次成長させて積層するＭＯＶＰＥ法などの結晶成長法により、エピタキシャル層３を形成する。
【００３１】
本実施形態では、熱処理条件を、ＡｌＧａＩｎＰ層の場合、半導体製造装置に備えたヒーターの設定温度を６８０〜７２０℃で０．５〜１０分、ＡｌＧａＡｓ層の場合には、ヒーターの設定温度を７５０〜８００℃で０．５〜１０分とした。
【００３２】
本実施形態の作用を説明する。
【００３３】
エピウェハ１は、ｎ型クラッド層中の炭素濃度が１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下である。
【００３４】
本発明者は、ｎ型クラッド層成長時のＣＢｒ4 供給量を変化させ、ｎ型クラッド層中の炭素濃度を変更したエピウエハを数水準作製し、ＬＤ特性であるＩｏｐを測定して評価した。それぞれのＬＤ特性を比較した結果を図３に示す。
【００３５】
図３の結果から、ｎ型クラッド層中の炭素濃度を１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下にした場合に、生存率（Ｉｏｐが初期値から大きく変化しなかったＬＤの割合）が９０％以上を確保でき、Ｉｏｐの信頼性試験結果が向上することがわかった。
【００３６】
これにより、エピウェハ１は、Ｉｏｐが不安定になる原因である炭素濃度が低いため、添加したドーピング原料の不活性化を防止し、ＬＤ特性の一つであるＩｏｐを長時間一定の値に保ってＩｏｐを安定化させ、エピウェハ１の信頼性向上を達成することができる。したがって、エピウェハ１は、信頼性が高いＬＤチップを多く取ることができる。
【００３７】
上記実施形態では、エピウェハ１としてＬＤエピウェハの例で説明したが、本実施形態に係るエピウェハ１及びその製造方法は、ＭＯＶＰＥ成長法により製造するＬＥＤ用のエピタキシャルウェハにも利用できる。
【００３８】
また、本実施形態に係るエピウェハ１は、上述したＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰに限らず、青紫色ＬＤや青色ＬＥＤなどに用いられるＧａＮ系のエピウェハにも応用できる。
【実施例】
【００３９】
（実施例、比較例）
III族有機金属原料ガスとＶ族原料ガスを、高純度水素キャリアガスとの混合ガスとして一定の圧力に保たれた反応炉内に導入し、反応炉内で加熱された基板２付近で原料が熱分解されることで、ＭＯＶＰＥ法により基板２上にエピタキシャル層３をエピタキシャル成長させ、図２に示す構造のエピウェハを作製した。ここではｎ型、ｐ型をそれぞれｎ−，ｐ−で示す。また不純物を添加しないものはアンドープと呼び、ｕｎ−で示した。
【００４０】
Ｇａ原料としてＴＭＧ（トリメチルガリウム）、Ａｌ原料としてＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）、Ｉｎ原料としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ａｓ原料としてＡｓＨ3 （アルシン）、Ｐ原料としてＰＨ3 （ホスフィン）、ｎ型不純物であるＳｉ原料としてＳｉ2 Ｈ6 （ジシラン）、ｐ型の不純物であるＺｎ原料としてＤＭＺ（ジメチル亜鉛）を用いた。さらに、故意にｎ型クラッド層６中の炭素濃度を変化させるために炭素原料としてＣＢｒ4 （四臭化炭素）を用いた。
【００４１】
より詳細には、ｎ型導電性ＧａＡｓ基板上に、バッファ層として厚さ２００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ（キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3）、さらに第２バッファ層として厚さ２００ｎｍのｎ型Ｇａ0.51Ｉｎ0.49Ｐ（キャリア濃度１×１０18ｃｍ-3）を成長させた。その上にｎ型クラッド層として厚さ２５００ｎｍのｎ型（Ａｌ0.68Ｇａ0.32）0.51Ｉｎ0.49Ｐ（キャリア濃度７．５×１０17ｃｍ-3）、アンドープガイド層として厚さ３５ｎｍの不純物を添加しない（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐを成長させた。活性層はＧａ0.51Ｉｎ0.49Ｐをウェル、（Ａｌ0.5Ｇａ0.5）0.51Ｉｎ0.49ＰをバリアとしてＭＱＷ（多重量子井戸）構造とし、不純物は添加しない。アンドープガイド層と同様の結晶を厚さ７０ｎｍで活性層上に第２アンドープガイド層として成長させた。そしてｐ型第１クラッド層として厚さ３００ｎｍの（Ａｌ0.7Ｇａ0.3）0.51Ｉｎ0.49Ｐ（キャリア濃度９．１×１０17ｃｍ-3）、エッチングストップ層は不純物を添加しないＧａ0.55Ｉｎ0.45Ｐを厚さ１０ｎｍ成長させた。エッチングストップ層の上に、ｐ型第１クラッド層と同一の結晶を厚さ１５００ｎｍ、ｐ型第２クラッド層として成長させた。さらにその上にはｐ型第２クラッド層とコンタクト層の格子不整を緩和する中間層としてｐ型Ｇａ0.5IＩｎ0.49Ｐ（キャリア濃度１．５×１０18ｃｍ-3）を厚さ３０ｎｍ成長させた。最上層にはコンタクト層として厚さ３００ｎｍのｐ型の高濃度のＧａＡｓ（キャリア濃度６．０×１０18ｃｍ-3）を成長させた。
【００４２】
その後、熱処理を実施してＬＤエピウェハを作製した。熱処理はｐ型第１クラッド層を成長した温度と同一の温度設定とし、熱処理時間は５分とした。
【００４３】
このように、実施例では、ｎ型クラッド層成長時に微量のＣＢｒ4 を炉中に供給することで、ｎ型クラッド層中の炭素濃度を変化させたＬＤエピウエハを２水準作製した。各水準の炭素濃度は、（Ａ）２×１０15ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（実施例のＬＤエピウエハ１）、（Ｂ）１．４×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3（比較例のＬＤエピウエハ）である。これらＬＤエピウエハ（Ａ）、（Ｂ）からＬＤを作製し、ＬＤ特性をそれぞれ比較した。
【００４４】
７０℃で１０００時間の高温Ｉｏｐ信頼性試験では、実施例のエピウエハ（Ａ）の生存率が９０％だったのに対し、比較例のエピウエハ（Ｂ）の生存率は７０％とｎ型クラッド層中の炭素濃度が１．０×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 を超えて多くなると、ＬＤの信頼性（通電後Ｉｏｐ／初期値Ｉｏｐ）が低くなることがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の好適な実施形態を示す発光素子用エピタキシャルウェハの構造図である。
【図２】実施例で用いた発光素子用エピタキシャルウェハの構造図である。
【図３】ｎ型クラッド層中の炭素濃度に対する高温Ｉｏｐ信頼性試験結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１  発光素子用エピタキシャルウェハ
２  基板
３  エピタキシャル層
４  バッファ層
５  第２バッファ層
６  ｎ型クラッド層
７  ガイド層
８  活性層
９  第２アンドープガイド層
１０  ｐ型第１クラッド層
１１  エッチングストップ層
１２  ｐ型第２クラッド層
１３  中間層
１４  コンタクト層
【図１】
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【図２】
2008140906.tif 000004
【図３】
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