(57)【要約】【課題】発光光度のバラツキが少なく、安定して高い輝度が得られる発光ダイオード用エピタキシャルウェハ及びそのエピタキシャルウェハを用いた発光ダイオードを提供する。【解決手段】ｐ型のＧａＡｓ基板１上に、ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層２、及びｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層３を順次形成すると共に、組成界面４とｐｎ界面５との距離Ｘを０．３μｍ以上かつ１．０μｍ以下として発光ダイオード用エピタキシャルウェハ１０とし、その両面に電極を形成して発光ダイオードとする。【選択図】図１
2007242840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ型ドーパントがドープされたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型活性層及びｎ型ドーパントがドープされたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型クラッド層をヘテロ接合させて形成した発光ダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、
前記ｐ型活性層と前記ｎ型クラッド層との組成界面から実際のｐｎ界面までの距離が０．３μｍ以上かつ１．０μｍ以下であることを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。
【請求項２】
ｐ型ＧａＡｓ基板上に、ｐ型ドーパントとしてＺｎをドープしたｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層及びｎ型ドーパントとしてＴｅをドープしたｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層を順次成長させた発光ダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、
前記ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層と前記ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層との組成界面から実際のｐｎ界面までの距離が０．３μｍ以上かつ１．０μｍ以下であることを特徴とする発光ダイオード用エピタキシャルウェハ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の発光ダイオード用エピタキシャルウェハを用い、その表面及び裏面に電極を形成したことを特徴とする発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光ダイオード用エピタキシャルウェハ及び発光ダイオードに係り、特に、発光光度のバラツキが少なく、安定して高い輝度が得られる発光ダイオード用エピタキシャルウェハ及びそのエピタキシャルウェハを用いた発光ダイオードに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＡｌＧａＡｓを用いた赤色発光ダイオードの輝度が向上し、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。これらの用途に用いるためには白昼でも認識できる程度に輝度が高い事が要求される。この要求に応えるために、構造面では、シングルヘテロ構造(ＳＨ構造)、ダブルヘテロ構造(ＤＨ構造)、裏面反射型ＤＨ構造などの発光ダイオード(ＬＥＤ)が開発されてきた。
【０００３】
図１２に、従来のＳＨ構造の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの構造を示す。
この発光ダイオード用エピタキシャルウェハ５０は、ｐ型ＧａＡｓ基板５１上に、所望の発光波長になるように調整したＡｌ混晶比のｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層５２、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層５３を液相エピタキシャル法により順次形成したものである。
【０００４】
また、図１３に、従来のＤＨ構造の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの構造を示す。
この発光ダイオード用エピタキシャルウェハ６０は、ｐ型ＧａＡｓ基板６１上に、ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層６２、所望の発光波長になるように調整したＡｌ混晶比のｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層６３、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層６４を液相エピタキシャル法により順次形成したものである。
【０００５】
しかしながら、このような従来の発光ダイオード用エピタキシャルウェハでは、ウェハ毎に発光光度のバラツキが大きくなってしまうという問題があった。
【０００６】
発光光度のバラツキに影響を与える要因の一つとして、ｐ型のＧａＡｌＡｓ活性層及びｎ型のＧａＡｌＡｓクラッド層の組成界面とｐｎ界面とのずれが挙げられる。
【０００７】
組成界面とｐｎ界面とがずれが生じる原因は、組成界面付近のクラッド層中のｎ型の不純物濃度以上にｐ型の不純物濃度が高くなり、ｎ型クラッド層がｐ型に変換してしまうことにある。
【０００８】
ｎ型クラッド層中に拡散してｎ型の不純物濃度以上に高くなるｐ型の不純物としては、亜鉛とカーボンが挙げられる。一般に、液相エピタキシャル（ＬＰＥ）法により赤色発光ダイオード用エピタキシャルウェハを製造する際にはｐ型ドーパントとして亜鉛（Ｚｎ）、ｎ型ドーパントとしてテルル（Ｔｅ）がそれぞれ用いられる。亜鉛は、エピタキシャル成長を行う温度（９００〜７００℃）において大変拡散しやすい性質を持っている。また、ＬＰＥ法に用いる成長冶具はグラファイトでできているため、自然とカーボンは溶液中に含まれてしまい、そのためエピタキシャル層中にも取り込まれる。カーボンは特許文献１に記されている通り、組成界面付近で高濃度となる。
【０００９】
上記の理由により、組成界面付近のｎ型クラッド層中に亜鉛が拡散し、かつカーボンが高濃度で取り込まれるため、ｐ型の不純物が高濃度となり、組成界面付近のｎ型クラッド層がｐ型に変換する。このように、組成界面とｐｎ界面のずれが大きくなると、クラッド層で発光する割合が増加するため、輝度が低下してしまう。
【００１０】
このような組成界面とｐｎ界面とのずれを少なくするために、ｐ型ドーパントとしてＭｇを用いることも行われている(特許文献２参照)。
【００１１】
また、ＳＨ構造もしくはＤＨ構造の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの成長プロセス終了後に、熱処理を施すことで、発光光度を高めることも行われている（特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平１１−３４６０００号公報（段落［００２２］〜［００２４］、図３)
【特許文献２】特開平５−２３５４０９号公報
【特許文献３】特開２００４−１１１４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、特許文献２記載の方法のように、ｐ型ドーパントとしてＭｇを用いた場合においても、カーボンの混入は避けがたく、依然として組成界面とｐｎ界面とのずれの問題は残存していた。
【００１３】
また、特許文献３記載の方法では、熱処理を施すため亜鉛がさらに拡散してしまい、組成界面とｐｎ界面のずれがより大きくなる場合があった。しかも、成長プロセス終了後に熱処理を施すため、コスト増加の懸念もあった。
【００１４】
従って、本発明の目的は、上記の従来技術の問題点を解消し、発光光度のバラツキが少なく、安定して高い輝度が得られる発光ダイオード用エピタキシャルウェハ及びそのエピタキシャルウェハを用いた発光ダイオードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明者らは、組成界面とｐｎ界面との距離と、発光光度との関係を鋭意研究した結果、上記距離を一定範囲内に制御することにより、発光光度のバラツキが少なく、安定して高輝度が得られることを見出した。
【００１６】
本発明は上記知見に基づいてなされたものであり、即ち、本発明の発光ダイオード用エピタキシャルウェハは、ｐ型ドーパントがドープされたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型活性層及びｎ型ドーパントがドープされたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型クラッド層をヘテロ接合させて形成した発光ダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、前記ｐ型活性層と前記ｎ型クラッド層との組成界面から実際のｐｎ界面までの距離が０．３μｍ以上かつ１．０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の発光ダイオード用エピタキシャルウェハは、ｐ型ＧａＡｓ基板上に、ｐ型ドーパントとしてＺｎをドープしたｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層及びｎ型ドーパントとしてＴｅをドープしたｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層を順次成長させた発光ダイオード用エピタキシャルウェハにおいて、前記ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層と前記ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層との組成界面から実際のｐｎ界面までの距離が０．３μｍ以上かつ１．０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１８】
更に、本発明の発光ダイオードは、前記発光ダイオード用エピタキシャルウェハを用い、その表面及び裏面に電極を形成したことを特徴とする。
【００１９】
ここで、本明細書において「組成界面」とは、ｐ型ドーパントがドープされたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｐ型活性層とｎ型ドーパントがドープされたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなるｎ型クラッド層との界面で、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の組成が大きく変化している位置をいう。また、「ｐｎ界面」とは、実際に電気的にｐ型となっている層とｎ型となっている層の境界位置をいう。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の発光ダイオード用エピタキシャルウェハによれば、発光光度のバラツキが少なく、安定して高い輝度を得ることができる。
【００２１】
本発明の発光ダイオードによれば、発光光度のバラツキが少なく、安定して高い輝度を得ることができるので、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等に好適に用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
（全体構成）
図１に、本実施形態のＧａＡｌＡｓ系ＳＨ構造赤色ＬＥＤ用のエピタキシャルウェハの構造を示す。
この発光ダイオード用エピタキシャルウェハ１０は、ｐ型のＧａＡｓ基板１上に、ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層２、及びｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層３を順次形成したものである。
【００２３】
ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層２は、膜厚が２０μｍであり、組成界面４の位置でのＡｌ混晶比が０．３５であり、ｐ型ドーパントとしてＺｎがドープされている。組成界面４から１μｍ離れた位置でのＺｎ濃度は２×１０１８／ｃｍ３である。
【００２４】
また、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層３は、膜厚が４０μｍであり、組成界面４から２μｍ離れた位置でのＡｌ混晶比が０．６５であり、ｎ型ドーパントとしてＴｅがドープされている。組成界面４から２μｍ離れた位置のＴｅ濃度は４×１０１７／ｃｍ３である。
【００２５】
更に、この発光ダイオード用エピタキシャルウェハ１０では、組成界面４とｐｎ界面５との距離Ｘが０．３μｍ以上かつ１．０μｍ以下とされている。
【００２６】
上記範囲に規定したのは、組成界面とｐｎ界面との距離が１．０μｍを超えた場合は、組成界面から離れた距離で発光する割合が増加するので、クラッド層内で発光する割合が増えて活性層内で発光が吸収される割合が増大し、輝度が低下すると考えられるためである。他方、組成界面とｐｎ界面との距離が０．３μｍ以下の場合は、活性層内の深部で発光する割合が多くなり、同じバンドギャップである活性層内を通過する際に、若干光が吸収される割合が増え、この影響により、少し輝度が下がってしまうものと考えられるためである。
【００２７】
（製造方法）
次に、このＳＨ構造の発光ダイオード用エピタキシャルウェハ１０の製造方法について述べる。
図２は、液相エピタキシャル法の一種であるスライドボート法により徐冷法を用いて各エピタキシャル層を成長させる方法を示すものである。
まず、スライドボート２０に、５０ｍｍ×５０ｍｍの角型のｐ型ＧａＡｓ基板２２をセットし、原料ホルダ２１内に第１層用原料としてＧａ、ＧａＡｓ多結晶、Ａｌ、Ｚｎをセットし、第２層用としてＧａ、ＧａＡｓ多結晶、Ａｌ、Ｔｅをセットする。このスライドボート２０及び原料ホルダ２１を石英製反応管の中にセットし、反応管内の空気を排気した後、水素ガスを導入する。その状態でエピタキシャル成長炉の温度を冷却開始温度まで昇温する。昇温後、その温度に保持し、Ｇａ溶液中にＧａＡｓ多結晶、Ａｌ、ドーパントＺｎあるいはＴｅを溶かして第１層用溶液２３及び第２層用溶液２４とする（ａ）。
【００２８】
組成が均一になったら、エピタキシャル成長炉の温度を０．５０℃／ｍｉｎで下げる。その間に基板ホルダを移動させ、ｐ型ＧａＡｓ基板２２と第１層用溶液２３を接触させて、厚さ約２０μｍの第１層となるｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層２を成長させる（ｂ）。
【００２９】
次に、スライドボード２０を移動して、ｐ型ＧａＡｓ基板２２を第２層用溶液２４と接触させて、第１層上に厚さ約４０μｍの第２層となるｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層３を成長させる（ｃ）。
【００３０】
その後、更にスライドボード２０を移動させて、第１層となるｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層２及び第２層となるｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層３を成長させたｐ型ＧａＡｓ基板２２を取り出し、発光ダイオード用エピタキシャルウェハ１０とする（ｄ）。
【００３１】
この発光ダイオード用エピタキシャルウェハ１０の表面と裏面にそれぞれｎ型表面電極とｐ型表面電極を形成することにより、ＧａＡｌＡｓ系ＳＨ構造赤色ＬＥＤが製造される。
【実施例１】
【００３２】
上記の製造方法において、第１層から第２層への組成界面の切り替え温度を９４０℃から８００℃まで５℃刻みで変化させて、２９種類のＳＨ構造のウェハを成長させた。ただし、上記のｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層２の組成界面４の位置でのＡｌ混晶比を０．３５とし、組成界面４から１μｍ離れた位置でのＺｎ濃度２×１０１８／ｃｍ３、ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層２の組成界面から２μｍ離れた位置のＡｌ混晶比０．６５、組成界面４から２μｍ離れた位置でのＴｅ濃度４×１０１７／ｃｍ３となるように、原料の配合比を変化させた。
【００３３】
上記実施例により製造したエピタキシャルウェハの発光光度を測定した。
図３に、測定に用いた発光ダイオード用エピタキシャルウェハを示す。
この発光ダイオード用エピタキシャルウェハ３０は、５０ｍｍ×５０ｍｍの寸法を有し、ウェハ中心の位置にて直径０．６ｍｍの円形になるように加工し、この円形部分（領域Ａ）をグルービング法による発光光度の測定部分とした。
【００３４】
グルービング法とは、図４に示すように、ｐ型ＧａＡｓ基板３１上にｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層３２及びｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層３３を順次形成した発光ダイオード用エピタキシャルウェハ３０において、各エピタキシャル層を貫通するがｐ型ＧａＡｓ基板３１は貫通しない孔３４を形成し、ウェハ３０を、光度を測定する機械の金属の電極ステージ３５に載せた後、孔３４で形成される内側の領域Ａに電極針３６を接触させて電流を流し、領域Ａのみを発光させて、光度を測定する方法である。
【００３５】
発光光度はエピタキシャルウェハに順方向に２０ｍＡの電流を流した時の光度を測定した。その後、ウェハを劈開して走査型電子顕微鏡にてウェハ断面を観察し、図１に示すｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層２及びｎ型ＧａＡｌＡｓ活性層３の組成界面４と、ｐｎ界面５との距離Ｘを、図３に示す発光ダイオード用エピタキシャルウェハの面内９点の位置にて測定した。
【００３６】
図５に、組成界面の切り替え温度と距離Ｘとの関係を示す。
図５の結果より、組成界面の切り替え温度が高くなるにつれて、距離Ｘが長くなっていることが分かる。この結果は、温度が高くなるほど、ｐ型ドーパントのＺｎが拡散しやすくなるためと考えられる。
【００３７】
また、図６に、距離Ｘと発光光度との関係を示す。距離Ｘが０．３μｍ〜１．０μｍの範囲では発光光度が９ｍｃｄ以上となり、それ以外の範囲と比較して高光度のエピタキシャルウェハが、安定的に得られていることが分かる。
【実施例２】
【００３８】
ｎ型ＧａＡｌＡｓ活性層２の組成界面４から２μｍ離れた位置のＴｅ濃度を１．５×１０１７／ｃｍ３から６．５×１０１７／ｃｍ３まで、０．５×１０１７／ｃｍ３刻みで変化するよう原料の配合比を変化させたことと、組成界面の切替温度を８５０℃と固定した以外は、実施例１と同様にエピタキシャルウェハを成長させ、発光光度と距離Ｘを測定した。
【００３９】
図７に、組成界面から２μｍ離れた位置のＴｅ濃度と距離Ｘとの関係を示す。
図７の結果より、Ｔｅ濃度が高くなるにつれて距離Ｘが短くなっていることが分かる。この結果は、ｎ型ドーパントであるＴｅ濃度が高くなることによって、ｐ型ドーパント濃度の高い部分が少なくなったためと考えられる。
【００４０】
図８に、距離Ｘと発光光度との関係を示す。距離Ｘが０．３μｍ〜１．０μｍの範囲では発光光度が９ｍｃｄ以上となり、それ以外の範囲と比較して高光度のエピタキシャルウェハが、安定的に得られていることが分かる。
【実施例３】
【００４１】
エピタキシャル成長炉の冷却速度を０．２０℃／ｍｉｎから０．８０℃／ｍｉｎまで０．０５℃／ｍｉｎ刻みで変化させたことと、組成界面の切替温度を８５０℃と固定した以外は、実施例１と同様にエピタキシャルウェハを成長させ、発光光度と距離Ｘを測定した。
【００４２】
図９に、エピタキシャル成長炉の冷却速度と距離Ｘとの関係を示す。
図９の結果より、冷却速度を大きくするにつれて距離Ｘが短くなっていることが分かる。この結果は、冷却速度が小さく温度が高い程、ｐ型ドーパントのＺｎが拡散し易いことに起因しているものと考えられる。
【００４３】
図１０に、距離Ｘと発光光度との関係を示す。距離Ｘが０．３μｍ〜１．０μｍの範囲では発光光度が９ｍｃｄ以上となり、それ以外の範囲と比較して高光度のエピタキシャルウェハが、安定的に得られていることが分かる。
【００４４】
［他の実施形態］
図１１に、本発明の他の実施形態を示す。
この発光ダイオード用エピタキシャルウェハ４０は、ｐ型ＧａＡｓ基板４１上に、ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層４２、所望の発光波長になるように調整したＡｌ混晶比のｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層４３、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層４４を順次形成し、組成界面４５とｐｎ界面４６との距離Ｘを０．３μｍ以上かつ１．０μｍ以下としたものである。
この発光ダイオード用エピタキシャルウェハ４０においても、上述した発光ダイオード用エピタキシャルウェハ１０と同様に、発光光度のバラツキを低減することができる。
【００４５】
また、距離Ｘを０．３μｍ以上かつ１．０μｍ以下に制御する手法としては、ｐ型ドーパントとしてのＺｎの拡散の性質に鑑みて、組成界面の切り替え温度を変化させる手法（実施例１）、ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層３のＴｅ濃度を変化させる手法（実施例２）、エピタキシャル成長炉の冷却速度を変化させる手法（実施例３）を用いたが、これらの手法には限定されず、切り替え温度と冷却速度の条件を組み合わせたり、種々の成長条件やドーパントの種類等を変化させたりすることにより達成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態に係る発光ダイオード用エピタキシャルウェハの模式図である。
【図２】本実施形態に係る発光ダイオード用エピタキシャルウェハの製造方法を説明する工程図である。
【図３】実施例１により製造し、発光光度測定に用いた発光ダイオード用エピタキシャルウェハを示す平面図である。
【図４】グルービング法による発光光度の測定方法を説明する概略図である。
【図５】実施例１において、組成界面の切り替え温度と距離Ｘとの関係を示すグラフである。
【図６】実施例１において、距離Ｘと発光光度との関係を示すグラフである。
【図７】実施例２において、組成界面から２μｍ離れた位置のＴｅ濃度と距離Ｘとの関係を示すグラフである。
【図８】実施例２において、距離Ｘと発光光度との関係を示すグラフである。
【図９】実施例３において、エピタキシャル成長炉の冷却速度と距離Ｘとの関係を示すグラフである。
【図１０】実施例３において、距離Ｘと発光光度との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の他の実施形態に係る発光ダイオード用エピタキシャルウェハの模式図である。
【図１２】従来のＳＨ構造の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの模式図である。
【図１３】従来のＤＨ構造の発光ダイオード用エピタキシャルウェハの模式図である。
【符号の説明】
【００４７】
１，３１，４１，５１，６１  ｐ型ＧａＡｓ基板
２，３２，４３，５２，６３  ｐ型ＧａＡｌＡｓ活性層
３，３３，４４，５３，６４  ｎ型ＧａＡｌＡｓクラッド層
４，４５  組成界面
５，４６  ｐｎ界面
１０，３０，４０，５０，６０  発光ダイオード用エピタキシャルウェハ
２０  スライドボード
２１  原料ホルダ
２２  ｐ型ＧａＡｓ基板
２３  第１層用溶液
２４  第２層用溶液
３４  孔
３５  電極ステージ
３６  電極針
４２，６２  ｐ型ＧａＡｌＡｓクラッド層
【図１】
2007242840.tif 000003
【図２】
2007242840.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2007242840.tif 000012
【図１１】
2007242840.tif 000013
【図１２】
2007242840.tif 000014
【図１３】
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