(57)【要約】【課題】輝度低下要因の一つであるカーボン混入を低減させ、高輝度の発光素子（例えば、赤色ＬＥＤ）を作製するためのエピタキシャルウエハの製造方法を提供する。【解決手段】基板上に、活性層、クラッド層を含むエピタキシャル層を液相エピタキシャル成長法により順次成長させるエピタキシャルウエハの製造方法において、上記エピタキシャル層を成長させる際、上記エピタキシャル層内に取り込まれるカーボン量を３〜６×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｃの範囲とすべく、最高到達温度での保持時間を１．２５〜２ｈｒとし、その後降温させ、降温中に上記エピタキシャル層を成長させる方法である。【選択図】図３
2008135647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、活性層、クラッド層を含むエピタキシャル層を液相エピタキシャル成長法により順次成長させるエピタキシャルウエハの製造方法において、上記エピタキシャル層を成長させる際、上記エピタキシャル層内に取り込まれるカーボン量を３〜６×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｃの範囲とすべく、最高到達温度での保持時間を１．２５〜２ｈｒとし、その後降温させ、降温中に上記エピタキシャル層を成長させることを特徴とするエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項２】
上記活性層と上記クラッド層はＡｌＧａＡｓからなり、上記エピタキシャル層はシングルへテロ接合構造である請求項１記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項３】
上記活性層はＡｌＧａＡｓからなり、上記クラッド層は、上記活性層を上下から挟む第１導電型ＡｌＧａＡｓクラッド層と第２導電型ＡｌＧａＡｓクラッド層とからなり、上記エピタキシャル層はダブルへテロ接合構造である請求項１記載のエピタキシャルウエハの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３いずれかに記載したエピタキシャルウエハの製造方法を用いて作製されたことを特徴とするエピタキシャルウエハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの半導体デバイスの製造方法に係り、特に、基板上に、活性層、クラッド層を含むエピタキシャル層を液相エピタキシャル成長法により順次成長させるエピタキシャルウエハの製造方法及びエピタキシャルウエハに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＡｌＧａＡｓを用いた赤色ＬＥＤの輝度が向上し、ディスプレイパネルや自動車用ハイマウントストップランプとして用いられるようになってきた。このような赤色ＬＥＤには、白昼でも認識できる程度に輝度が高いことが要求される。
【０００３】
この要求に応えるべく、構造面では、シングルへテロ構造（ＳＨ構造）、ダブルへテロ構造（ＤＨ構造）、裏面反射型ＤＨ構造等のＬＥＤが開発されてきた。また、赤色ＬＥＤは海外でも生産され、発光輝度を含めた電気特性の向上、安価生産が最重要課題である。
【０００４】
これらＬＥＤ用エピタキシャルウエハの製造には、液相エピタキシャル成長法が用いられている。液相エピタキシャル成長法では、基板上にエピタキシャル層を構成する各層を積層するにあたり、基板を各層の原料となる原料溶液に順次接触させていく。ＬＥＤの高輝度化を含めた電気特性の向上、歩留り向上のためには、不純物としてエピタキシャル層内へ取り込まれてしまうカーボンや酸素の混入量低減が重要な課題の一つである。
【０００５】
従来、欠陥の低減、輝度の向上を図るために、各層のドーパントやキャリア濃度の最適化、あるいはエピタキシャル成長条件（例えば、温度や装置操作等）の最適化等が図られている。
【０００６】
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。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１５６００７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、液相エピタキシャル成長法により赤色ＬＥＤ用のエピタキシャルウエハの作製に用いられる成長治具（ジグ）（一般には、カーボン治具、あるいはグラファイト治具）の原材料はカーボンである。そのため、原料溶液はカーボン製の成長治具と接触した状態であり、必然的にエピタキシャル層中へのカーボンの混入は避けられず、このカーボン混入がＬＥＤの発光輝度を低下させている大きな要因の一つとなっていた。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、輝度低下要因の一つであるカーボン混入を低減させ、高輝度の発光素子（例えば、赤色ＬＥＤ）を作製するためのエピタキシャルウエハの製造方法及び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】
【００１０】
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、活性層、クラッド層を含むエピタキシャル層を液相エピタキシャル成長法により順次成長させるエピタキシャルウエハの製造方法において、上記エピタキシャル層を成長させる際、上記エピタキシャル層内に取り込まれるカーボン量を３〜６×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｃの範囲とすべく、最高到達温度での保持時間を１．２５〜２ｈｒとし、その後降温させ、降温中に上記エピタキシャル層を成長させるエピタキシャルウエハの製造方法である。
【００１１】
請求項２の発明は、上記活性層と上記クラッド層はＡｌＧａＡｓからなり、上記エピタキシャル層はシングルへテロ接合構造である請求項１記載のエピタキシャルウエハの製造方法である。
【００１２】
請求項３の発明は、上記活性層はＡｌＧａＡｓからなり、上記クラッド層は、上記活性層を上下から挟む第１導電型ＡｌＧａＡｓクラッド層と第２導電型ＡｌＧａＡｓクラッド層とからなり、上記エピタキシャル層はダブルへテロ接合構造である請求項１記載のエピタキシャルウエハの製造方法である。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項１〜３いずれかに記載したエピタキシャルウエハの製造方法を用いて作製されたエピタキシャルウエハである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、活性層とクラッド層間の界面付近のカーボンピーク濃度を従来の半分未満に低減させるエピタキシャルウエハを製造でき、発光素子の輝度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
まず、本実施の形態に係る製造方法を用いて作製したエピタキシャルウエハの一例を図１で説明する。
【００１６】
図１に示すように、本実施の形態に係るＬＥＤ用のエピタキシャルウエハ１は、ｐ型ＧａＡｓ基板（以下、基板ともいう）２上に、複数層のエピタキシャル層（半導体結晶）３、すなわちｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層４、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５を順次成長させて形成したシングルへテロ接合構造のエピタキシャルウェハである。
【００１７】
ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層４は、所望するＬＥＤの発光波長に必要なＡｌ混晶比（例えば、赤色のとき約０．３５〜０．４）にする。ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５は、電子の逆流を防止し、ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層４で発光する光に対して透明な窓になる層である。このため、ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５は、ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層４よりも大きいＡｌ混晶比（例えば、約０．６〜０．８）にする。また、ｐ型の不純物としては、例えばＺｎを使用し、ｎ型の不純物としては、例えばＴｅを使用する。
【００１８】
次に、本実施形態に係る製造方法に用いるエピタキシャルウェハの製造装置を図２で説明する。
【００１９】
図２は、本発明の好適な実施形態を示すエピタキシャルウェハの製造方法に用いるエピタキシャルウェハの製造装置の概略図である。
【００２０】
図２に示すように、本実施形態に係るエピタキシャルウェハの製造装置（液相エピタキシャル成長装置、あるいは液相エピタキシャル成長炉）（以下、装置ともいう）２１は、基板２を収納するためのスライド自在な基板ホルダー（成長治具）２２と、その基板ホルダー２２を載置する台座（溶液受け）２３と、基板ホルダー２２の上部に対向して設けられ、原料溶液Ｌを収納するためのスライド自在な溶液ホルダー２４とで主に構成される。
【００２１】
この装置２１は、液相エピタキシャル成長（ＬＰＥ）法により、基板２上にエピタキシャル層を成長させてエピタキシャルウェハを製造する装置である。ＬＰＥ法は、装置内の所定箇所にそれぞれ設置した原料の過飽和溶液（原料溶液）に、基板を順次接触、分離させることで、基板上にエピタキシャル層を成長させて形成する方法である。ＬＰＥ法は、１）熱平衡に近い成長法なので、エピタキシャル層内に発光を妨げる欠陥が形成されにくい、２）気相法に比べて装置や原料のコストがかからない、などの利点がある。
【００２２】
基板ホルダー２２は、カーボン治具、あるいはグラファイト治具であり、平板状のスライダー２２ａと、そのスライダー２２ａの他端部に設けた操作棒２２ｂとからなる。スライダー２２ａの一端部の上部には、基板２を収納する基板収納部（基板ホルダー部）２５が形成される。
【００２３】
基板収納部２５は、基板２を収納したとき、基板２表面とスライダー２２ａの表面の高さが一致するように形成される。基板収納部２５に基板２を水平に収納するため、基板収納部２５の底面には座繰り加工が施される。この基板ホルダー２２は、台座２３上に、溶液ホルダー２４に対して相対的にスライド移動（図２では左右方向）可能に設けられる。
【００２４】
溶液ホルダー２４は、エピタキシャル層３の原料となる原料溶液Ｌを収納する溶液溜め部２６を複数個備える。溶液溜め部２６は、基板ホルダー２２の移動方向に沿って所定の間隔で設けられる。溶液溜め部２６の上部には、溶液溜め部２６内を気密に保つキャップホルダー２７が設けられる。
【００２５】
エピタキシャル層３の原料としては、Ｇａ、ＧａＡｓ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｔｅを使用する。原料溶液Ｌは、通常、溶液溜め部２６に上述した原料（あるいはそれらの化合物）を固体状態でそれぞれセットし、装置２１内の所定箇所に基板ホルダー２２を設置し、その後、装置２１内に設けたヒータで原料（あるいはそれらの化合物）を溶かして液体にすることで得られる。ヒータは、基板ホルダー２２や溶液ホルダー２４を含む装置２１のほぼ全体がほぼ同じ温度となるように設けるとよく、特に各溶液溜め部２６の下部周囲に設けるとよい。
【００２６】
次に、本実施の形態に係るエピタキシャルウエハ１の製造方法を装置２１の動作と共に説明する。
【００２７】
まず、溶液ホルダー２４の溶液溜め部２６に上述した原料をセットし、その原料をヒータで溶かして原料溶液Ｌを準備する。一方、基板ホルダー２２のスライダー２２ａの基板収納部２５に基板２を収納する。
【００２８】
このとき、装置２１に接続した図示しない制御手段により、図３に示す温度プログラム３１にしたがってヒータを制御する。温度プログラム３１は、３０分程度で室温から最高到達温度である９００℃まで装置２１のほぼ全体を昇温し（約３０℃／ｍｉｎ）、最高到達温度での保持時間を１．５時間とし、その後７００℃まで装置２１のほぼ全体を降温させ（約１℃／ｍｉｎ）、降温中にエピタキシャル層３を成長させるプログラムである。
【００２９】
基板ホルダー２２（あるいは溶液ホルダー２４でもよい）を（図２では左方向）スライドし、１段目（図２では最も右側）の溶液溜め部２６と基板２表面の中心が位置する位置まで基板ホルダー２２を移動する。原料溶液Ｌには基板２表面が接触する。
【００３０】
この状態で基板２上に、１段目の溶液溜め部２６に収納した原料によって１層目のエピタキシャル層、すなわちｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層４を成長させる。その後、同様にして、基板ホルダー２２をスライドし、２段目の溶液溜め部２６と基板２表面の中心が位置する位置まで基板ホルダー２２を順次移動し、ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層４上に、２層目のエピタキシャル層、すなわちｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層５を成長させる。
【００３１】
以上のようにして、例えば、図１に示したようなエピタキシャルウェハ１が得られる。
【００３２】
本実施形態の作用を説明する。
【００３３】
本実施形態に係るエピタキシャルウエハの製造方法は、エピタキシャル層３を成長させる際、エピタキシャル３層内に取り込まれるカーボン量を低減すべく、最高到達温度での保持時間を極力短縮している。例えば、エピタキシャル層３がＡｌＧａＡｓからなる場合、最高到達温度である９００℃での保持時間を、従来の３時間（図４の温度プログラム４１参照）から極力短縮し、１．２５〜２ｈｒ（時間）の範囲、好ましくは１．２５〜１．５時間にしている。
【００３４】
その後、降温させ、降温中にエピタキシャル層３を成長させることで、エピタキシャルウエハ１が得られる。
【００３５】
本発明者は、赤色ＬＥＤなどの発光素子の輝度向上には、エピタキシャルウエハのエピタキシャル層中のカーボン濃度を３〜６×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｃの範囲に低減すればよいことに着目し、鋭意研究した。発光素子では、エピタキシャル層中のカーボンは不要な不純物であり、エピタキシャル層中にカーボンが混入した部分は欠陥となって発光に寄与しない（例えば、カーボン混入部分がサイリスタになってしまういわゆるサイリスタ現象が起きる）からである。
【００３６】
その結果、本発明者は、エピタキシャル３層内に取り込まれるカーボン量を低減すべく、エピタキシャル成長中の温度プログラムにおいて最高到達温度での保持時間を短縮する本発明を完成した。
【００３７】
従来の方法では、エピタキシャル成長中の温度プログラム４１において最高到達温度（９００℃）で３時間保持している。従来、３時間の保持時間は、成長原料で投入しているＧａＡｓがＧａ溶液の中で完全に液体になること、さらには、最高到達温度での炉内温度の安定化を目的として行われているが、３時間もの保持時間は過剰であることが実験からわかった。
【００３８】
つまり、装置２１において、溶液溜め部２６に投入した原料を１００％液体にする必要はなく、少なくとも溶液溜め部２６の下部が原料溶液Ｌとなっていればよい。溶液溜め部２６に投入した原料を部分的に融解させれば、重力により融解分が溶液溜め部２６の下方に集まる。
【００３９】
したがって、本実施形態に係る製造方法は、従来のように原料の１００％液体化や、炉内温度の安定化を目的とする方法ではない。すなわち、本実施形態に係る製造方法は、エピタキシャル成長中の温度プログラムにおいて、最高到達温度での保持時間を短縮することで、高温時にカーボン製の基板ホルダー２２と原料溶液Ｌが接触する時間を短くし、原料溶液Ｌやエピタキシャル層３中に混入するカーボン量を低減させ、赤色ＬＥＤなどの発光素子の輝度を向上する技術である。
【００４０】
より詳細にいえば、本発明者の実験により、エピタキシャル成長中の温度プログラム３１において、最高到達温度９００℃で１．５時間保持すれば、原料として投入しているＧａＡｓがＧａ溶液の中で、装置２１の操作上やエピタキシャル層３の原料として、必要最小限の部分が完全に液体になること、さらには降温直前の温度ばらつきが±０．１℃と非常に安定していることがわかった。
【００４１】
そこで、本実施形態に係るエピタキシャルウエハの製造方法では、最高到達温度での保持時間を従来の３時間から１．５時間と半減させ、その後降温中に成長を行うことで、エピタキシャル層３内に取り込まれるカーボン量を３〜６×１０17ａｔｏｍｓ／ｃｃの範囲（従来の半分未満）に低減することができ、赤色ＬＥＤなどの発光素子の輝度を向上できる。
【００４２】
上記実施の形態では、シングルへテロ接合構造のエピタキシャルウエハの製造方法について説明したが、本発明はダブルヘテロ接合構造のエピタキシャルウエハの製造方法にも応用でき、この場合も上述と同じ作用効果が得られる。
【００４３】
ＬＥＤ用のダブルへテロ接合構造のエピタキシャルウエハとしては、導電性のｐ型ＧａＡｓ基板上に、第１導電型クラッド層としてのｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層、ｐ型ＡｌＧａＡｓ活性層、第２導電型クラッド層としてのｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層を順次成長させて形成したものがある。
【００４４】
また、本発明は、裏面反射型のＬＥＤ用のエピタキシャルウエハの製造方法にも応用できる。このエピタキシャルウエハは、例えば、ダブルヘテロ接合構造のエピタキシャルウエハからｐ型ＧａＡｓ基板を除去して作製される。
【００４５】
本発明は、ＬＥＤ、特に赤色ＬＥＤ用のエピタキシャルウエハの製造に用いると非常に有用であるが、半導体レーザ（ＬＤ）用のエピタキシャルウエハの製造に用いてもよく、この場合にも上述したのと同様の作用効果が得られる。
【００４６】
エピタキシャル層を構成する化合物半導体としては、上述したものに限らず、ＩｎＧａＰなどの３元混晶系や、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＰＡｓＳｂなどの４元混晶系の化合物半導体であってもよい。
【実施例】
【００４７】
（実施例、比較例）
成長治具２２には通常使用されるグラファイト治具を用いた。ｐ型ＧａＡｓ基板２とエピタキシャル層３の原料であるＧａ、ＧａＡｓ、Ａｌ、Ｚｎ、Ｔｅを成長治具２２にセットし、液相エピタキシャル成長装置２１内の所定の箇所にセットした。
【００４８】
図４の温度プログラム４１にしたがい、水素気流中で上記成長装置２１を９００℃まで加熱して、３時間保持後、７００℃まで１℃／ｍｉｎの割合で降温させた（比較例）。
【００４９】
降温中に上記基板２を順次成長溶液Ｌに接触させ、ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層を順次成長させた。
【００５０】
得られたエピタキシャルウエハのＡｌＧａＡｓ活性層とＡｌＧａＡｓクラッド層の界面付近１０μｍの箇所でＳＩＭＳ（２次イオン質量）分析を用いてカーボン濃度を測定した。
【００５１】
また、得られた従来のエピタキシャルウエハに電極を形成してチップを作製後、ステムに取り付けてエポキシ樹脂でコートしてＬＥＤを作製し、発光輝度、電気特性を評価した。
【００５２】
次に、不純物であるカーボンの混入量を低減するため、図３の温度プログラム３１にしたがい、最高到達温度（９００℃）での保持時間を比較例の３時間から１．５時間に変更し、その他は上記製法と同等の条件で成長を行った（実施例）。そして、同様の方法で、作製したエピタキシャルウエハ１の評価を行った。
【００５３】
【表１】
2008135647.tif 000003
【００５４】
表１から明らかな通り、実施例のエピタキシャルウエハ２１では、比較例である従来のエピタキシャルウエハに比べて、ＡｌＧａＡｓ活性層４とＡｌＧａＡｓクラッド層５間の界面付近のカーボンピーク濃度を４６％も低減させることができ、輝度を１１．５％も向上させることができた。
【００５５】
また、ダブルへテロ接合構造エピタキシャルウエハでも同様に向上させることができた。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の好適な実施形態であるエピタキシャルウエハの一例を示す構造図である。
【図２】本発明の好適な実施形態を示すエピタキシャルウエハの製造方法に用いる液相エピタキシャル成長装置の概略図である。
【図３】本発明の好適な実施形態であるエピタキシャルウエハの製造方法における温度プログラムの一例を示す図である。
【図４】従来のエピタキシャルウエハの製造方法における温度プログラムの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
３１  温度プログラム
【図１】
2008135647.tif 000004
【図２】
2008135647.tif 000005
【図３】
2008135647.tif 000006
【図４】
2008135647.tif 000007