(57)【要約】【課題】Ｉｏｐを長時間一定の値に保つ、つまり信頼性が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ウェハを提供する。【解決手段】基板２上に、III族およびＶ族原料ガスを用いて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を含むエピタキシャル層３を成長させた発光素子用エピタキシャルウェハ１において、エピタキシャル層３の水素濃度の平均値を９．２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下にしたものである。【選択図】図１
2008118038.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、III族およびＶ族原料ガスを用いて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、上記エピタキシャル層の水素濃度の平均値を９．２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下にしたことを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項２】
上記ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層の水素濃度をいずれも９．２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下にした請求項１記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項３】
上記ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰ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ェハ。
【請求項４】
上記ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層はＡｌＧａＡｓ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ェハ。
【請求項５】
加熱した基板上にIII族およびＶ族原料ガス、ドーピング原料およびキャリアガスを供給し、上記基板上に、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る発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法において、III族原料の供給を一時的に停止し、基板上にＶ族原料ガスのみを供給して、上記エピタキシャル層の水素濃度の平均値を低下させることを特徴とする発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法。
【請求項６】
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し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ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ：半導体レーザ）、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｅｄ  Ｄｉｏｄｅ：発光ダイオード）などの発光素子用のエピタキシャルウェハ（以下エピウェハと呼ぶ）及びその製造方法並びに発光素子に関する。
【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）や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。
【０００３】
化合物半導体結晶を成長させる方法の一つに有機金属気相成長法（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ、以下ＭＯＶＰＥ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、基板上に化合物半導体結晶をエピタキシャル成長させる方法である。基板上に半導体結晶をエピタキシャル成長させたものをエピウェハという。
【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１０−２７０７９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年、ＤＶＤの書き込み速度の倍速化、２層書込への倍速化などにより、ＬＤの高出力化が求められている。
【０００７】
ＬＤの特性の一つ、動作電流（Ｉｏｐ）はレーザの規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れなければならないのは言うまでもないが、数百時間以上の動作をさせると、徐々に大きくなってしまう場合がある。これではＬＤが商品として使い物にならない。
【０００８】
特にＬＤが高出力になれば、通常状態でのＩｏｐも高く、熱的にも厳しい環境での動作となるため、高出力のＬＤには、よりシビアな特性が要求される。
【０００９】
Ｉｏｐが不安定になる理由の一つに、エピウェハのエピタキシャル層中の水素濃度が高いと、添加したドーパントが不活性化されるため、Ｉｏｐが不安定になることが知られている。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、Ｉｏｐを長時間一定の値に保つ、つまり信頼性が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ウェハ及びその製造方法並びに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】
【００１１】
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族およびＶ族原料ガスを用いて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、上記エピタキシャル層の水素濃度の平均値を９．２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下にした発光素子用エピタキシャルウェハである。
【００１２】
請求項２の発明は、上記ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層の水素濃度をいずれも９．２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下にした請求項１記載の発光素子用エピタキシャルウェハである。
【００１３】
請求項３の発明は、上記ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層はＡｌＧａＩｎＰ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ェハである。
【００１４】
請求項４の発明は、上記ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層はＡｌＧａＡｓ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ェハである。
【００１５】
請求項５の発明は、加熱した基板上にIII族およびＶ族原料ガス、ドーピング原料およびキャリアガスを供給し、上記基板上に、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る発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法において、III族原料の供給を一時的に停止し、基板上にＶ族原料ガスのみを供給して、上記エピタキシャル層の水素濃度の平均値を低下させる発光素子用エピタキシャルウェハの製造方法である。
【００１６】
請求項６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した発光素子である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、発光素子特性の一つである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】
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
さて、本実施形態に係るエピウェハ１は、エピタキシャル層３中の水素濃度の平均値が９．２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下である。コンタクト層１４はＬＤの特性にあまり影響を与えないので、水素濃度が９．２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 を超えてもよい。
【００２４】
特に、ＬＤエピウェハの場合、これから得られるＬＤの特性が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の水素濃度でほぼ決まるため、各層６，８，１０，１２中の水素濃度をいずれも９．２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下にするとよい。
【００２５】
水素濃度を９．２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下にしたのは、水素濃度が９．２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 を超えると、添加したドーパントが不活性化されるため、Ｉｏｐが不安定になるからである。
【００２６】
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、ＡｌＧａＩｎＰあるいはＡｌＧａＡｓからなる。
【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（反応炉）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、ドーピング原料およびキャリアガスを炉内にそれぞれ供給する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、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】
このエピタキシャル層３の成長中あるいは成長直後（少なくとも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の成長中あるいは成長直後）に、炉内の温度を結晶成長時の温度以上に保持したまま、III族原料の炉内への供給を一時的に停止し、基板２上にＶ族原料ガスのみを供給して、エピタキシャル層３中の水素濃度の平均値を９．２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下に低下させる。
【００３２】
ただし、この時供給するＶ族ガス中に、直前に成長したエピタキシャル層３中に含まれるＶ族元素が含まれるようにする。例えば、直前にＡｌＧａＩｎＰ層を成長したなら、Ｐ元素を含むＰＨ3 などを流し、ＡｌＧａＡｓ層の場合はＡｓＨ3 を流す。また、この時、Ｖ族ガスと一緒にキャリアガス（Ｈ2 を除くＡｒ、Ｎ2 、Ｈｅなどの不活性ガス）を流してもよい。
【００３３】
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。
【００３４】
ここで、エピタキシャル層３中の水素濃度は、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+のようなイオンを質料表面に照射し、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。イオンによって質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元素分布も得られる。
【００３５】
本実施形態の作用を説明する。
【００３６】
エピウェハ１は、エピタキシャル層３の水素濃度の平均値が９．２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下である。
【００３７】
本発明者は、エピタキシャル層３中の水素濃度は、上述した製造方法のように、結晶成長中あるいは成長直後に、結晶成長を行わない高温の雰囲気を保つことによって変化することを見出した。言い換えると、結晶成長の途中あるいは成長直後で、III族原料の炉内への供給を停止し、Ｖ族原料のみを炉内へ供給している状態で、数分間保つ。炉内の温度は成長時の温度以上を保持する。このＶ族原料雰囲気の温度保持（以下、熱処理と呼ぶ）を実施する時期と時間によって、エピタキシャル層３中の水素濃度は変化する。
【００３８】
これは、熱処理により、Ｖ族原料中のＶ族原子は３価の陰イオンになり、その陰イオンがラジカルなＨ+ を吸着するため、エピタキシャル層３中に不可避的に混入する水素を追い出し、エピタキシャル層３中の水素濃度を低下させるからである。
【００３９】
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水素濃度が低いため、添加したドーパント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。
【００４０】
特に、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の水素濃度をいずれも９．２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下にすれば、Ｉｏｐがより安定化し、エピウェハ１の信頼性をより向上できる。
【００４１】
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。
【００４２】
また、本実施形態に係るエピウェハ１及びその製造方法は、ＡｌＧａＩｎＰやＡｌＧａＡｓ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】
【００４３】
（実施例）
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。
【００４４】
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）、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。
【００４５】
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をバリアとして多重カンタムウェル（ＭＱＷ：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Ｇａ0.5Iｎ0.49Ｐ（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５．０×１０18ｃｍ-3）を成長させた。
【００４６】
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、III族原料の炉内への供給をストップしてＶ族原料のみを供給した。Ｖ族原料はＰＨ3 とし、熱処理時間は５分とした。
【００４７】
（比較例）
熱処理を全く実施せず、実施例と同様にしてＬＤエピウェハを作製した。
【００４８】
エピ層の水素濃度を比較すると、実施例は７．２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 、比較例は６．４×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 だった。なお、水素濃度はコンタクト層を除く全エピ層で行い、全測定値の平均値を取った。
【００４９】
１回成長でのバラツキの影響を排除するため、実施例、比較例とも交互に３回ずつ実施した。
【００５０】
実施例、比較例それぞれ３回分のエピウェハから同数ずつのＬＤチップを作製し、ＬＤの特性を評価した。
【００５１】
その結果、７０℃で１０００時間の高温Ｉｏｐ信頼性試験では、比較例の信頼性生存率が５９％だったのに対し、実施例は９０％まで向上した。
【００５２】
また、熱処理の条件を変更することにより、水素濃度を変更したエピウェハも作製した。それぞれのエピウェハから得られるＬＤ特性を比較した結果を、実施例、比較例の結果と併せて図３に示す。
【００５３】
図３では、本実施形態に係るエピウェハを●、それ以外の比較例、従来例を■で示した。図３中の（i）〜（v）は熱処理条件（（ヒーター設定温度）×（熱処理時間））を示し、（i）は６１０℃×３０秒、（ii）は６５０℃×３０秒、（iii）は６９０℃×３０秒、（iv）は６９０℃×１０分、（v）は７３０℃×５分である。
【００５４】
図３に示すように、この結果から、エピウェハ中の水素濃度を９．２×１０16ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 以下にした場合にＬＤ特性向上、つまりＩｏｐの信頼性試験結果が向上することがわかった。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【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】最適条件確認のため、エピ層中の水素濃度を振ったときのＩｏｐの信頼性試験生存率をまとめた結果を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
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】
2008118038.tif 000003
【図２】
2008118038.tif 000004
【図３】
2008118038.tif 000005