(57)【要約】【課題】膜厚や組成の面内均一性が優れたエピタキシャル層の成長を実現し、従来よりも大径化した基板を利用可能とすることによって、従来よりも発光素子の低コスト化が可能な発光素子用エピタキシャルウエハを提供する。【解決手段】100〜200 mmの外径を有するn型導電性GaAs基板上に、少なくともn型導電性AlGaInPクラッド層、AlGaInP活性層、p型導電性AlGaInPクラッド層およびp型導電性コンタクト層のエピタキシャル層が順次形成され、前記エピタキシャル層の各層が±２％以下の有効面内膜厚分布を有する本発明のAlGaInP系半導体発光素子用エピタキシャルウエハは、有機金属気相成長法において、成長ガスの流量を20〜70 NL/minとし、サセプタと同心円状に前記サセプタに複数設置された前記基板の内接円の半径を250〜60 mmとし、基板加熱ヒータ面と前記サセプタの距離を21〜50 mmとし、かつ成長ガス流路の高さを33〜３mmと制御することにより製造される。【選択図】図１
2008311500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
n型導電性GaAs基板上に、少なくともn型導電性AlGaInPクラッド層、AlGaInP活性層、p型導電性AlGaInPクラッド層およびp型導電性コンタクト層のエピタキシャル層が順次形成されたAlGaInP系半導体の発光素子用エピタキシャルウエハであって、
前記基板が100〜200 mmの外径を有し、前記エピタキシャル層の各層が±２％以下の有効面内膜厚分布を有す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】
請求項１に記載の発光素子用エピタキシャルウエハにおいて、
前記エピタキシャル層の各層と前記基板との格子不整合度の有効面内分布が±500 ppm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３】
請求項１乃至請求項２に記載の発光素子用エピタキシャルウエハにおいて、
前記エピタキシャル層のＰＬ発光波長の有効面内分布が±1.5 nm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４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発光素子用エピタキシャルウエハにおいて、前記基板の平均転位密度が500 /cm2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５】
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の発光素子用エピタキシャルウエハを用いて製造された発光素子。
【請求項６】
100〜200 mmの外径を有するn型導電性GaAs基板上に、少なくともn型導電性AlGaInPクラッド層、AlGaInP活性層、p型導電性AlGaInPクラッド層およびp型導電性コンタクト層のエピタキシャル層が順次形成され、前記エピタキシャル層の各層が±２％以下の有効面内膜厚分布を有するAlGaInP系半導体の発光素子用エピタキシャルウエハを製造する方法であって、
有機金属気相成長法において、成長ガスの流量を20〜70 NL/minとし、サセプタと同心円状に前記サセプタに複数設置された前記基板の内接円の半径を250〜60 mmとし、基板加熱ヒータ面と前記サセプタの距離を21〜50 mmとし、かつ成長ガス流路の高さを33〜３mmと制御することを特徴とする発光素子用エピタキシャルウエハの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光素子用エピタキシャルウエハおよびその製造方法に関し、特に、発光ダイオード（LED）やレーザダイオード（LD）などに好適な、エピタキシャル層の膜厚分布や組成分布の均一性に優れた発光素子用エピタキシャルウエハおよびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日、AlGaInP系の化合物半導体結晶を用いた半導体レーザダイオード（Laser Diode: LD）は、DVD（Digital Versatile Disc）やCD（Compact Disk）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利用されている。また、発光ダイオード（Light Emitting Diode: LED）は、屋外用ディスプレイパネルやリモコン、車載用ランプ等、様々な用途に用いられている。
【０００３】
それら発光素子用のエピタキシャルウエハを製造する方法の一つに、有機金属気相成長（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy: MOVPE）法がある。III−Ｖ属半導体結晶のMOVPE法は、III属有機金属原料ガス、Ｖ属原料ガスおよび高純度水素キャリアガス（総称して「成長ガス」とする）を成長炉内に導入すると、成長炉内で加熱された基板付近で各原料ガスが熱分解し、基板上に所望の化合物結晶をエピタキシャル成長させる方法である。
【０００４】
一方、発光素子用エピタキシャルウエハは、電子デバイス用エピタキシャルウエハと比較して、次のような特徴がある。
（１）発光素子用エピタキシャルウエハでは、４元素から成る結晶（例えば、AlGaInP）を用いることが多いため、複雑かつ精密な組成制御が要求される。
（２）発光素子用エピタキシャルウエハでは、基板結晶の格子定数と差異の大きい格子定数を有する（格子不整合度の大きい）結晶を積層することが多く、格子歪みが内在しやすい。
（３）発光素子用エピタキシャルウエハでは、一般的にエピタキシャル層が厚く、電子デバイス用エピタキシャルウエハに比して２〜５倍程度の厚さを有する。
上記の特徴から、発光素子用エピタキシャルウエハは、クラック等が発生する臨界膜厚に対する裕度が小さいことを意味し、チップ化工程を含む各種製造プロセスにおいて歩留まり低下の要因となっている。
【０００５】
これに対し、例えば、特許文献１（特開2000−114592号公報）に記載の発光ダイオードの製造方法では、チップ化プロセスにおけるダイシング工程で導入される歪が残留する部分を、続くエッチング工程で除去することにより、高輝度で信頼性の向上した発光ダイオードが提供できるとしている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１１４５９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
現在、発光素子には、期待される用途の広さや従来技術との競合から、更なる低コスト化が強く求められている。そして、低コスト化を図る最も簡便な方法は、発光素子を形成するエピタキシャルウエハを大径化し、１枚のウエハから取得するチップ数を増大させる（生産性を向上させる）ことと考えられる。しかしながら、発光素子用エピタキシャルウエハが有する前述の特徴から、現在においても外径75ｍｍ（φ３インチ）のウエハが主流である。
【０００８】
従って、本発明の目的は、膜厚や組成の面内均一性が優れたエピタキシャル層の成長を実現し、従来よりも大径化した基板を利用可能とすることによって、従来よりも発光素子の低コスト化が可能な発光素子用エピタキシャルウエハ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、n型導電性GaAs基板上に、少なくともn型導電性AlGaInPクラッド層、AlGaInP活性層、p型導電性AlGaInPクラッド層およびp型導電性コンタクト層のエピタキシャル層が順次形成されたAlGaInP系半導体の発光素子用エピタキシャルウエハであって、
前記基板が100〜200 mmの外径を有し、前記エピタキシャル層の各層が±２％以下の有効面内膜厚分布を有することを特徴とする発光素子用エピタキシャルウエハを提供する。なお、有効面とは、基板の外周端から径方向５mmの領域を除いた部分を意味するものと定義する。
【００１０】
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エピタキシャルウエハにおいて、前記エピタキシャル層の各層と前記基板との格子不整合度の有効面内分布が±500 ppm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を提供する。なお、有効面とは、基板の外周端から径方向５mmの領域を除いた部分を意味するものと定義し、格子不整合度とは、エピタキシャル層結晶と基板結晶の格子定数差を基板結晶の格子定数で除したものと定義する。
【００１１】
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エピタキシャルウエハにおいて、前記エピタキシャル層のＰＬ発光波長の有効面内分布が±1.5 nm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を提供する。なお、有効面とは、基板の外周端から径方向５mmの領域を除いた部分を意味するものと定義する。
【００１２】
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エピタキシャルウエハにおいて、前記基板の平均転位密度が500 /cm2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発光素子用エピタキシャルウエハを用いて製造された発光素子を提供する。
【００１４】
また、本発明は、上記目的を達成するため、100〜200 mmの外径を有するn型導電性GaAs基板上に、少なくともn型導電性AlGaInPクラッド層、AlGaInP活性層、p型導電性AlGaInPクラッド層およびp型導電性コンタクト層のエピタキシャル層が順次形成され、前記エピタキシャル層の各層が±２％以下の有効面内膜厚分布を有するAlGaInP系半導体の発光素子用エピタキシャルウエハを製造する方法であって、
有機金属気相成長法において、成長ガスの流量を20〜70 NL/minとし、サセプタと同心円状に前記サセプタに複数設置された前記基板の内接円の半径を250〜60 mmとし、基板加熱ヒータ面と前記サセプタの距離を21〜50 mmとし、かつ成長ガス流路の高さを33〜３mmと制御することを特徴とする発光素子用エピタキシャルウエハの製造方法を提供する。なお、有効面とは、基板の外周端から径方向５mmの領域を除いた部分を意味するものと定義する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、発光素子用エピタキシャルウエハにおいて、膜厚や組成の面内均質性が優れたエピタキシャル層の成長を実現し、従来よりも大径化した基板を利用可能とすることによって、従来よりも発光素子の低コスト化が可能な発光素子用エピタキシャルウエハを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、実施例に基づいて、本発明に係る実施の形態を説明する。ただし、本発明はここで取り上げた実施例に限定されることはない。
【実施例】
【００１７】
（発光素子用エピタキシャルウエハの製造装置）
図１は、本発明の実施の形態に係る発光素子用エピタキシャルウエハの製造に用いるMOVPE装置の１例を示す断面模式図である。MOVPE装置100は、真空機器の１種であり、上部躯体１と下部躯体２で気密性を保つことができるように構成されている。MOVPE装置100の内部には、基板10を保持するサセプタ３と基板加熱ヒータ６が収容されており、サセプタ３は、回転軸４を介して、上部躯体１の上方に設置された回転機５と連結されている。また、サセプタ３と基板加熱ヒータ６は、それぞれサセプタ昇降機構７およびヒータ昇降機構８により、設置位置が調整可能になっている。また、サセプタ３とサセプタ昇降機構７が直接熱接触しないように、サセプタ３とサセプタ昇降機構７の間には断熱部材９が介在している。
【００１８】
下部躯体２において、サセプタ３の回転中心に対面する位置には、成長ガス導入管11が設置され、側面の複数箇所には排気管12が設置されている。エピタキシャル層を形成するための成長ガス14は、成長ガス導入管11から成長ガス流路13内に導入され、サセプタ３の表面に沿って流れ、基板10上でエピタキシャル層を成長させた後、排気管12から排出される。
【００１９】
（発光素子用エピタキシャルウエハの製造）
図１に示したようなMOVPE装置100を用いて、図２に示すようなAlGaInP系のLD用エピタキシャルウェハを製造した。図２は、本発明の実施の形態に係るAlGaInP系のLD用エピタキシャルウェハ構造の１例を示す断面模式図である。ここで、n型導電性およびp型導電性は、それぞれ“n-”および“p-”で示した。また、積極的に不純物を添加しないものを「アンドープ」と称し、“un-”で表記した。
【００２０】
MOVPE法によるAlGaInP系エピタキシャル層の成長にあたり、Al原料としてトリメチルアルミニウム（TMA）、Ga原料としてトリメチルガリウム（TMG）、In原料としてトリメチルインジウム（TMI）を用い、P原料としてホスフィン（PH3）、およびAs原料としてアルシン（AsH3）を用いた。また、n型導電性不純物であるSiの原料としてジシラン（Si2H6）、p型導電性不純物であるZnの原料としてジメチル亜鉛（DMZ）を用いた。キャリアガスとしては、高純度水素を用いた。
【００２１】
はじめに、エピタキシャル層成長用の基板20として、外径75 mm（φ３インチ、厚さ450μm）、100 mm（φ４インチ、厚さ625μm）、150 mm（φ６インチ、厚さ675μm）、200 mm（φ８インチ、厚さ800μm）のn型導電性GaAs（キャリア濃度1×1018 cm-3）基板をそれぞれ複数枚ずつ用意した。なお、基板の平均転位密度が500 /cm2以下であるものを用いた。
【００２２】
同じサイズの基板をサセプタ３に設置し、MOVPE装置100を起動させた。まず、基板20上に、第１バッファ層21として厚さ200 nmのn型導電性GaAs（キャリア濃度1×1018 cm-3）と、第２バッファ層22として厚さ200 nmのn型導電性Ga0.51In0.49P（キャリア濃度1×1018 cm-3）を順次成長させた。
【００２３】
次に、n型クラッド層23として厚さ2500 nmのn型導電性(Al0.68Ga0.32)0.51In0.49P（キャリア濃度7.5×1017 cm-3）と、第１アンドープガイド層24として不純物を添加しない厚さ35 nmの(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49P を順次成長させた。
【００２４】
次に、アンドープで厚さ49 nmの活性層25を成長させた。このとき、活性層25は、un-Ga0.51In0.49Pをウェルとし、un-(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49Pをバリアとしたマルチカンタムウェル構造とした。その後、第２アンドープガイド層26として不純物を添加しない厚さ70 nmの(Al0.5Ga0.5)0.51In0.49Pを成長させた。
【００２５】
次に、p型第１クラッド層27として厚さ300 nmのp型導電性(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49P（キャリア濃度9.1×1017 cm-3）と、エッチングストップ層28として不純物を添加しない厚さ10 nmのGa0.55In0.45Pを順次成長させた。
【００２６】
次に、エッチングストップ層28の上に、p型第２クラッド層29として厚さ1500 nmのp型導電性(Al0.7Ga0.3)0.51In0.49P（キャリア濃度9.1×1017 cm-3）を成長させた。さらにその上には、p型第２クラッド層29と最上層の格子不整合を緩和する中間層30としてp型導電性Ga0.51In0.49P（キャリア濃度1.5×1018 cm-3）を成長させた。最上層には、コンタクト層31として厚さ300 nmで高濃度p型導電性のGaAs（キャリア濃度5.0×1018 cm-3）を成長させた。
【００２７】
なお、上記の基板厚さ、エピタキシャル層厚さ、エピタキシャル層組成、およびキャリア濃度は、いずれも公称値である。
【００２８】
（比較例１〜４および実施例１〜３）
製造条件の最適化を検討するにあたり、用いた基板20の外径をＤとし、サセプタ３と同心円状に複数設置された基板20の内接円の半径をＲとし、基板加熱ヒータ６の表面とサセプタ３の距離をＬとし、かつ成長ガス流路13の高さをＨとして、表１に示す条件で図２に示したようなAlGaInP系のLD用エピタキシャルウェハ（比較例１〜４および実施例１〜３）を製造した。なお、各エピタキシャル層の成長温度、成長ガスの流量などの他の成長条件は、従来の外径Ｄ＝75 mm（φ３インチ）エピタキシャルウエハ（比較例１）におけるそれと同じ条件で統一した（例えば、成長温度：600〜800℃、成長ガス流量：20〜70 NL/min）。また、Ｒの条件は、サセプタ３に複数設置された基板20の外接円が、比較例１のそれと同じになるように設定した。
【００２９】
【表１】
2008311500.tif 000003
【００３０】
（有効面内におけるＰＬ発光波長分布の評価）
作製した各LD用エピタキシャルウェハに対し、有効面内におけるＰＬ発光波長分布の評価を行った。なお、前述したように、有効面とは、基板の外周端から径方向５mmの領域を除いた部分を意味するものとする。また、測定ポイントは、有効面内において10 mm間隔の正方状とし、基板外径Ｄ＝75 mmで13箇所、Ｄ＝100 mmで17箇所、Ｄ＝150 mmで29箇所、Ｄ＝200 mmで41箇所とした。ＰＬ発光波長分布は、ホトルミネッセンス装置を用いて測定し、全測定ポイントにおいて平均値からの偏差が±1.5 nm以内を合格と判定した。測定結果を表２に示す。
【００３１】
【表２】
2008311500.tif 000004
【００３２】
（有効面内における膜厚分布、格子不整合度分布の評価）
LD用エピタキシャルウェハは、図２に示したように多層構造（例えば、エピタキシャル層21〜31）である。そこで、膜厚分布および格子不整合度分布の評価にあたっては、各エピタキシャル層21〜31に相当する組成・厚さを有する単層を、各基板20上に表１の条件で成長し、当該エピタキシャル層ごとの膜厚および格子不整合度を調査した。
【００３３】
膜厚分布は、分光エリプソ装置を用いて測定し、全測定ポイントにおいて平均値からの偏差が±２％以内を合格と判定した。また、格子不整合度分布は、XRD装置を用いて測定し、全測定ポイントにおいて平均値からの偏差が±500 ppm以内を合格と判定した。膜厚分布および格子不整合度分布の結果を表２に併記する。なお、表２に示した値は、各エピタキシャル層での測定のうち、それぞれ最も大きな偏差を有していたエピタキシャル層の結果である。
【００３４】
表１，２のから明らかなように、MOVPE装置内におけるＬとＨの条件を、従来の外径Ｄ＝75 mmエピタキシャルウエハ（比較例１）におけるそれと同じ条件とし、基板外径をＤ＝100〜200 mm（比較例２〜４）としたところ、「ＰＬ発光波長分布」、「膜厚分布」または「格子不整合度分布」のいずれか１つ以上が合格の範囲を逸脱し、従来と同等な品質（面内均質性）で大面積化できていないことが判る。これに対し、基板外径Ｄを大径化するにつれて、Ｌを増大し、Ｈを減少させた実施例１〜３は、比較例１と同等の高い面内均質性を有するとともに、エピタキシャルウエハの大径化ができていることが判る。
【００３５】
エピタキシャルウエハを大径化（大面積化）できることにより、１枚のウエハから取得できる発光素子チップ数を増大することができる。従来のＤ＝75 mmエピタキシャルウエハ（比較例１）と比較して、Ｄ＝100 mmエピタキシャルウエハ（実施例１）で約1.8倍、Ｄ＝150 mmエピタキシャルウエハ（実施例２）で約3.9倍、Ｄ＝200 mmエピタキシャルウエハ（実施例３）で約7.1倍となる。
【００３６】
〔実施の形態の効果〕
上記の本発明の実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）従来技術（例えば、Ｄ＝75 mmエピタキシャルウエハ）と同等の高い面内均質性を有するとともに、エピタキシャルウエハの大径化がでる。
（２）エピタキシャルウエハを大径化（大面積化）できることにより、１枚のウエハから取得できる発光素子チップ数を増大することができ、コストを低減することができる。
（３）MOVPE装置内におけるＲ、ＬおよびＨの条件を変更することで所望のエピタキシャルウエハを製造できることから、従来の製造装置を流用でき、余分な設備投資を抑制してコスト低減に寄与できる。
（４）MOVPE法において、膜厚や組成の面内均質性が優れたエピタキシャル層の成長を実現できることから、発光素子用エピタキシャルウエハに留まらず、AlGaInP系の全てのエピタキシャルウエハに適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態に係る発光素子用エピタキシャルウエハの製造に用いるMOVPE装置の１例を示す断面模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るAlGaInP系のLD用エピタキシャルウェハ構造の１例を示す断面模式図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…上部躯体、２…下部躯体、３…サセプタ、４…回転軸、５…回転機、
６…基板加熱ヒータ、７…サセプタ昇降機構、８…ヒータ昇降機構、９…断熱部材、
10…基板、11…成長ガス導入管、12…排気管、13…成長ガス流路、14…成長ガス、
100…MOVPE装置、
20…基板、21…第１バッファ層、22…第２バッファ層、23…n型クラッド層、
24…第１アンドープガイド層、25…活性層、26…第２アンドープガイド層、
27…p型第１クラッド層、28…エッチングストップ層、29…p型第２クラッド層、
30…中間層、31…コンタクト層。
【図１】
2008311500.tif 000005
【図２】
2008311500.tif 000006