(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、少なくともｐ型クラッド層（Ｇａ1-X1ＡｌX1Ａｓ，０＜Ｘ１＜１）、ｐ型活性層（Ｇａ1-X2ＡｌX2Ａｓ，０＜Ｘ２＜１）、ｎ型クラッド層（Ｇａ1-X3ＡｌX3Ａｓ，０＜Ｘ３＜１）の３層を、この順に液相エピタキシャル法により積層し、その後基板を除去する工程を含む赤外発光素子用エピタキシャル基板の製造方法において、前記液相エピタキシャル法を基板収納溝の内側、ルツボの内側及びルツボ蓋がグラッシーカーボンからなるものを用いて行い、ｐ型活性層の主たる不純物がゲルマニウムであり、ｎ型クラッド層中のＧｅ濃度が３×１０16ｃｍ-3以下であることを特徴とする赤外発光素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【請求項２】
ｎ型クラッド層に接して第２のｎ型層（Ｇａ1-X4ＡｌX4Ａｓ，０＜Ｘ４＜１）を有し、第２のｎ型層中のＧｅ濃度が３×１０16ｃｍ-3以下であることを特徴とする請求項１に記載の赤外発光素子用エピタキシャル基板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線を利用した光通信や空間伝送用に使用される高速・高出力赤外発光ダイオードを作製するためのエピタキシャル基板及び、このエピタキシャル基板から作製された赤外発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｇａ1-XＡｌXＡｓ（０＜Ｘ＜１）（以下、ＧａＡｌＡｓと略す）系化合物半導体を利用した発光素子（ＬＥＤ）は赤外から赤色用の光源として広く用いられている。赤外ＬＥＤは光通信や空間伝送用に使用されているが、伝送するデータの大容量化、伝送距離の長距離化に伴い、高出力・高速の赤外ＬＥＤへの要求が高くなっている。
【０００３】
従来から知られているように、ＧａＡｌＡｓ系ＬＥＤにおいて、シングルへテロ構造よりもダブルヘテロ構造（以下ＤＨ構造）の方が、出力が高く、また基板を除去することでさらなる高出力化が図られている。
【０００４】
高出力・高速の赤外ＬＥＤにおいても高出力化を実現するためにはＤＨ構造を採用するとともに基板を除去するタイプとすることが不可欠となっている。
【０００５】
基板を除去するタイプの構造とする場合、ＤＨ構造、即ちｐ型クラッド層、ｐ型活性層およびｎ型クラッド層の３層のみをエピタキシャル成長させて基板を除去すると製品の厚さが薄くなり、素子化工程でのハンドリングが困難になると同時に、このエピタキシャル基板から作製する素子の底面からｐｎ接合までの高さが低くなり素子を導体に接着するときのペーストが素子側面を這い上がり、ｐｎ接合を短絡するという問題が発生する。これを防ぐために、基板除去後の仕上がりの全厚と素子底面から接合までの距離を稼ぐための第４のエピタキシャル層をＤＨ構造に付加することが基板除去タイプの構造では標準的な構成になっている。第４のエピタキシャル層はバンドギャップが活性層よりも広く、活性層の発光光を吸収しないように設計される。
【０００６】
この第４のエピタキシャル層は、前記ＤＨ構造のｎ型クラッド側に付加しても、ｐ型クラッド側に付加しても良い。さらに、この第４のエピタキシャル層は単層である必要はなく、複数のエピタキシャル層を組み合わせても良い。
【０００７】
光通信や空間伝送用途の赤外ＬＥＤでは、高出力・高速特性を実現するために、ｐ型活性層に添加される不純物としてＧｅが用いられている。ｐ型活性層の不純物としてＧｅを用いているのは、エピタキシャル成長法でｐ型層に添加する不純物として一般的に用いられているＺｎをｐ型活性層に用いた場合には、拡散エネルギーの低いＺｎがｎ型クラッド層に拡散し、接合位置が冶金学的界面からｎクラッド層中にずれるという現象を生じるためで、この現象は応答速度の高速化という観点からは不利だからである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のＤＨ構造の高速・高出力赤外発光ダイオードにおいて、ｐ型活性層のドーパントとしてＧｅを用いた場合、同一の製造プロセスで製造しても製造ロットによって発光出力にバラツキが生じる現象が生じ、また発光出力も十分ではなかった。
【０００９】
本発明はこの問題を解決し、発光出力のばらつきが少なく、高出力の発光素子を作製するためのエピタキシャル基板、およびこのエピタキシャル基板から作製された発光素子を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は上記の課題を解決するため、発光素子の種々の物性と発光出力の関係について詳細に調査した結果、ｎ型ＧａＡｌＡｓ層中に含まれるＧｅの濃度と発光出力の間に負の相関があることを見いだし本発明を完成した。即ち本発明は、
［１］ｐ型クラッド層（Ｇａ1-X1ＡｌX1Ａｓ，０＜Ｘ１＜１）、ｐ型活性層（Ｇａ1-X2ＡｌX2Ａｓ，０＜Ｘ２＜１）、ｎ型クラッド層（Ｇａ1-X3ＡｌX3Ａｓ，０＜Ｘ３＜１）の３層を有し、かつ３層がこの順に接し、ｐ型活性層の主たる不純物がゲルマニウムである、基板除去型の赤外発光素子用エピタキシャル基板において、ｎ型クラッド層中のＧｅ濃度が３×１０16ｃｍ-3以下であることを特徴とする赤外発光素子用エピタキシャル基板、
［２］ｎ型クラッド層に接して第２のｎ型層（Ｇａ1-X4ＡｌX4Ａｓ，０＜Ｘ４＜１）を有し、第２のｎ型層中のＧｅ濃度が３×１０16ｃｍ-3以下であることを特徴とする［１］に記載の赤外発光素子用エピタキシャル基板、
［３］［１］または［２］に記載の赤外発光素子用エピタキシャル基板を用いて作製した発光素子、に関する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の請求項に関する実施形態は、ｐ型クラッド層（Ｇａ1-X1ＡｌX1Ａｓ，０＜Ｘ１＜１）、ｐ型活性層（Ｇａ1-X2ＡｌX2Ａｓ，０＜Ｘ２＜１）、ｎ型クラッド層（Ｇａ1-X3ＡｌX3Ａｓ，０＜Ｘ３＜１）の３層がこの順に接し、ｐ型活性層の主たる不純物がゲルマニウムである積層構造を有し、ｎ型クラッド層中のＧｅ濃度を３×１０16ｃｍ-3以下とする。また第２の請求項に関する実施形態では、第１の実施形態のｎ型クラッド層に接して第２のｎ型層（Ｇａ1-X4ＡｌX4Ａｓ，０＜Ｘ４＜１）を有し、第２のｎ型層中のＧｅ濃度を３×１０16ｃｍ-3以下とする。
【００１２】
Ｇｅはｐ型活性層の不純物として用いているが、ｎ型層中には故意に添加していない。従って、エピタキシャル層成長過程において、Ｇｅを含むｐ型活性層成長用Ｇａ溶液がｎ型層成長用Ｇａ溶液へ持ち込まれること、さらに、Ｇｅを含むｐ型活性層成長用のＧａ溶液からｎ型層成長用のＧａ溶液へのＧｅの拡散が、ｎ型層へのＧｅの混入源であることが考えられる。Ｇａ溶液中へのＧｅの混入を防止する方法について、スライドボート法の成長装置を例にして説明する。
【００１３】
図１に示したスライドボート治具のうち、基板収納溝２の内側、及びルツボ５〜８の内側はグラッシーカーボンでコートする。Ｇａ溶液が直接接触する部分をグラッシーカーボンでコートすることにより、Ｇａ溶液との濡れ性が悪くなりエピタキシャル成長過程においてＧｅを含むｐ型活性層成長用Ｇａ溶液がｎ型層成長用Ｇａ溶液中に混入することが防げる。
【００１４】
また、ルツボ蓋９をグラッシーカーボン製とする。このルツボ蓋はルツボ内のＧａ溶液中からのドーパント不純物の蒸発と異なるルツボ中のＧａ溶液からのドーパント不純物の混入を防止する目的で用いているが、このルツボ蓋９も開口率の低いグラッシーカーボン製とすることで、ｐ型層成長用のＧａ溶液中からのＧｅの蒸発やｎ型層成長用Ｇａ溶液中へのＧｅの混入が防げる。
【００１５】
従来、ｎ型エピタキシャル層中のＧｅ濃度はおよそ５×１０16ｃｍー3以上であるが、上記の方法を行うことにより、ｎ型エピタキシャル層中のＧｅ濃度を３×１０16ｃｍー3以下に制御することが可能となる。そして、この方法によりｎ型エピタキシャル層中のＧｅ濃度を３×１０16ｃｍー3以下に制御することにより、ＤＨ構造の高速・高出力赤外発光ダイオードの出力を従来と比べて高くすることが可能となる。
【００１６】
図２に従来の発光ダイオードと本発明によって得られた発光ダイオードのｎ型クラッド層中のＧｅ濃度と発光出力の関係を示す。
【００１７】
図２に示すように、ｎ型クラッド層中のＧｅ濃度が１×１０16ｃｍー3以下では出力はほぼ一定であるが、１×１０16ｃｍー3より高くなると出力が低下し始めた。そして、３×１０16ｃｍー3より高くなるとに急激に出力が低下することが分かった。従って、ｎ型クラッド層中のＧｅ濃度を３×１０16ｃｍー3以下、より好ましくは１×１０16ｃｍー3以下とすることにより高出力となることが判明した。
【００１８】
図３には従来の発光ダイオードと本発明によって得られた発光ダイオードのｐ型活性層に接しないｎ型層（第２のｎ型層）中のＧｅ濃度と発光出力の関係を示す。図３に示すように、ｎ型層中のＧｅ濃度が１×１０16ｃｍー3以下では出力はほぼ一定であるが、１×１０16ｃｍー3より高くなると出力が低下し始めた。そして、３×１０16ｃｍー3より高くなるとに急激に出力が低下することが分かった。従って、ｐ型活性層に隣接しないｎ型層中のＧｅ濃度を３×１０16ｃｍー3以下、より好ましくは１×１０16ｃｍー3以下とすることにより高出力となることが判明した。
【００１９】
【実施例】
（実施例１）
本発明の発光素子を、スライドボート型成長装置を使用した徐冷法の液相エピタキシャル成長方法で作製した例について説明する。
【００２０】
図４に本願記載のエピタキシャル基板から作製されたＤＨ構造の高速・高出力赤外発光ダイオードの構造を模式的に示す。
【００２１】
図１には本実施例で使用したスライドボート型成長装置を示す。スライダー３の基板収納溝２にＧａＡｓ基板１をセットする。スライドボート本体４にはＧａＡｓ基板上に成長させる層の数に応じたルツボを配置し、ルツボの中にはエピタキシャル層を成長するために好適な配合のＧａメタル、金属Ａｌ、及びＧａＡｓ多結晶とそれぞれのエピタキシャル層の導電型とキャリヤ濃度を実現するために好適なドーパントが配合されている。
【００２２】
実際の成長は以下のようにして行われる。即ち、図１のスライドボートを石英反応管（図示しない）内にセットし、水素気流中で９５０℃まで加温し、原料を溶解する。続いて雰囲気温度を９００℃まで降温し、スライダー３を右側に押し、ｐ型ＧａＡｓ基板１をルツボ５の下まで移動してメルトに接触させる。次に雰囲気温度を０．５℃／分の速度で降温しｐ型ＧａＡｓ基板上に図１に示した第１のｐ型ＧａＡｌＡｓ層を成長させる。以下、同様にスライダーの移動と降温を繰り返すことにより図４に対応する４層の混晶比の異なるエピタキシャル層を成長させる。
【００２３】
エピタキシャル成長終了後、エピタキシャル基板を取り出し、図４のｎ型クラッド層１４の表面を耐酸シートで保護してアンモニア−過酸化水素系エッチャントでＧａＡｓ基板を選択的に除去する。その後、エピタキシャル基板の両面に金電極（図示しない）を形成し、ダイシングにより素子を分離することにより、図４のような赤外ＬＥＤを作製した。
【００２４】
本実施例１によって得られたＤＨ構造の高速・高出力赤外発光ダイオードのｎ型クラッド層中のＧｅ濃度は０．５〜３×１０16ｃｍー3であった。
【００２５】
（実施例２）
図５に本願記載のエピタキシャル基板作製された赤外発光用ＬＥＤの構造を模式的に示す。実施例１とは異なりＤＨ構造のｎクラッド層側に第４のエピタキシャル層としてｎ型層を付加した構造である。
【００２６】
実際の成長は前記実施例１と同一の治具を用いて実施した。このとき、原料を溶解する温度およびｐ型ＧａＡｓ基板をメルトに接触する温度は図２の構造になるのに適切な温度とした。
【００２７】
エピタキシャル成長後も実施例１と同様の処理を実施し、図５の様なＤＨ構造の高速・高出力赤外発光ダイオードを作製した。
【００２８】
本実施例２によって得られたＤＨ構造の高速・高出力赤外発光ダイオードのｎ型クラッド層中のＧｅ濃度は０．５〜３×１０16ｃｍー3であり、ｎ型クラッド層側に付加した第２のｎ型層中のＧｅ濃度は０．１〜３×１０16ｃｍー3であった。
【００２９】
尚、以上２つのの実施例で示したエピタキシャル成長の際には、前述したｎ型ＧａＡｌＡｓ層中のＧｅ濃度を下げるための手段はすべて実施した。すなわち、基板収納溝の内側、およびルツボの内側をグラッシーカーボンでコートした。また、ルツボ蓋をグラッシーカーボン製とした。
【００３０】
（比較例１）
上記実施例１と同様の構造の、ＤＨ構造の高速・高出力赤外発光ダイオードを作製した。但し、本比較例１に係わるエピタキシャル層の成長では、前述したｎ型層中のＧｅ濃度を下げるための手段は従来と同様特に行わなかった。
【００３１】
本比較例によって得られたＤＨ構造の高速・高出力赤外発光ダイオードのｎ型クラッド層中のＧｅ濃度はおよそ５〜１０×１０16ｃｍー3であった。
【００３２】
（比較例２）
上記実施例２と同様の構造の、ＤＨ構造の高速・高出力赤外発光ダイオードを作製した。但し、本比較例２に係わるエピタキシャル層の成長では、前述したｎ型層中のＧｅ濃度を下げるための手段は従来と同様特に行わなかった。
【００３３】
本比較例によって得られたＤＨ構造の高速・高出力赤外発光ダイオードのｎ型クラッド層中のＧｅ濃度はおよそ５〜１０×１０16ｃｍー3であった。また、ｎクラッド層側に付加したｎ型層中のＧｅ濃度は４〜７×１０16ｃｍー3であった。
【００３４】
上記実施例と比較例で作製した赤外発光ダイオードの発光出力を測定した結果を表１と表２に示す。
【００３５】
【表１】
0004402217.tif 000002
【表２】
0004402217.tif 000003
表１と表２から明らかなように、本発明によれば従来品に比べて発光出力が約３倍高い赤外発光ダイオードを得ることができた。また発光出力のばらつきも減少した。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によって、ｎ型ＧａＡｌＡｓ層中のＧｅ濃度を０．１〜３×１０16ｃｍー3以下に制御することにより、発光出力が向上し、発光出力のばらつきも減少した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するに当たり使用したスライドボートの概略図を示す。
【図２】ｎ型クラッド層中のＧｅ濃度とＬＥＤ出力の関係を示す。
【図３】ｐ型活性層に隣接しないｎ型層中のＧｅ濃度とＬＥＤ出力の関係を示す。
【図４】本発明による実施例１で作製されたＬＥＤの構造を示す。
【図５】本発明による実施例２で作製されたＬＥＤの構造を示す。
【符号の説明】
１  ｐ型ＧａＡｓ基板
２  基板収納溝
３  スライダー
４  スライドボード本体
５  ルツボ
６  ルツボ
７  ルツボ
８  ルツボ
９  ルツボ蓋
１０  ｐ型ＧａＡｓ基板
１１  ｐ型ＧａＡｌＡｓ層
１２  ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層
１３  ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層
１４  ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層
１５  ｐ型ＧａＡｓ基板
１６  ｐ型ＧａＡｌＡｓ層
１７  ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層
１８  ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層
１９  ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層
２０  第２のｎ型ＧａＡｌＡｓ層
【図１】
0004402217.tif 000004
【図２】
0004402217.tif 000005
【図３】
0004402217.tif 000006
【図４】
0004402217.tif 000007
【図５】
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