(57)【要約】【課題】信頼性を向上させた発光素子用エピタキシャルウェハ、及び発光素子を提供する。【解決手段】発光素子用エピタキシャルウェハは、ｎ型基板１上に、少なくともＰ（燐）系結晶のｎ型クラッド層３、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ、又はＧａＡｓなどのＡｓ（砒素）系結晶で形成した量子井戸構造を有する発光層５、及びｐ型クラッド層７が順次積層された化合物半導体と、ｎ型クラッド層３と発光層５との間に、発光層５を構成するＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層とは異なるＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層４とを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ型基板上に、少なくともＰ（燐）系結晶のｎ型クラッド層、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ、又はＧａＡｓなどのＡｓ（砒素）系結晶で形成した量子井戸構造を有する発光層、及びｐ型クラッド層が順次積層された化合物半導体と、
前記ｎ型クラッド層と前記発光層との間に、当該発光層を構成するＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層とは異なるＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層と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ェハ。
【請求項２】
前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層のＡｌ組成ｘが、０．５０〜０．９０であることを特徴とする請求項１記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項３】
前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層の層厚が、２０〜２００ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項４】
前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層にｎ型不純物が添加されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項５】
前記ｎ型不純物が、Ｓｉ又はＳｅであることを特徴とする請求項４記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項６】
前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層は、Ａｌ組成ｘが異なる２層以上のＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓを積層させたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項７】
量子井戸構造のウェル層は、ＡｌＧａＡｓ又はＧａＡｓからなり、そのＡｌ組成が０（＝ＧａＡｓ）〜０．１２であり、前記ウェル層の厚さが３．０〜１２．５ｎｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の発光素子用エピタキシャルウェハ。
【請求項８】
上記請求項１〜７のいずれかに記載の発光素子用エピタキシャルウェハを用いて作製され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、化合物半導体結晶からなる発光素子用エピタキシャルウェハ、及び発光素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化合物半導体結晶を用いた発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）は、例えばディスプレイ、リモコン、センサー、車載用ランプなどの様々な用途に多用されている。また、半導体レーザーダイオード（ＬＤ：Laser Diode）は、例えば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する方法には、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）や分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）などがある。
【０００４】
この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、基板上に化合物半導体結晶がエピタキシャル成長する。一方、ＭＢＥ法は、超高真空下で原料となる金属などを加熱して分子線を発生させ、目標の基板の結晶に照射して薄膜を成長させる。
【０００５】
化合物半導体エピタキシャルウェハとは、化合物半導体基板上に前述の方法でエピタキシャル層を形成したものである。基板はエピタキシャル成長のべ一スとなる。エピタキシャルウェハの代表例としては、例えば発光素子用エピタキシャルウェハがある。この発光素子用エピタキシャルウェハは、基板上に少なくともｎ型クラッド層、発光層、及びｐ型クラッド層が順次積層された構造となっている（特許文献１〜３参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２７０７９７号公報
【特許文献２】特開２０００−３１５９７号公報
【特許文献３】特開２００４−６３７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、ｎ型クラッド層にはＶ族元素としてＰを用いたＡｌＧａＩｎＰを用いることが多い。また、発光素子の中でも、赤外波長帯の発光素子の発光層には、Ｖ族元素としてＡｓを含むＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ結晶やＧａＡｓ結晶を用いる。つまり、ｎ型クラッド層と発光層とではＶ族元素が異なるため、Ｖ族原料ガスの切替えが必要である。しかしながら、Ｖ族原料ガスの供給を切替えても、炉内などに残留したＰが発光層のＡｓ系結晶に取り込まれてしまう事象が発生する。
【０００８】
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などから、高信頼性が強く求められている。ところが、上述したＡｓ系結晶である発光層へのＰ混入により、通電初期のＰｏが低くなり、通電後のＰｏが高くなってしまう、つまり信頼性が悪くなるという問題があった。
【０００９】
本発明の目的は、信頼性を向上させた発光素子用エピタキシャルウェハ、及び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】
【００１０】
［１］本発明は、ｎ型基板上に、少なくともＰ（燐）系結晶のｎ型クラッド層、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ、又はＧａＡｓなどのＡｓ（砒素）系結晶で形成した量子井戸構造を有する発光層、及びｐ型クラッド層が順次積層された化合物半導体と、前記ｎ型クラッド層と前記発光層との間に、当該発光層を構成するＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層とは異なるＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層と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ェハにある。
【００１１】
［２］上記［１］記載の前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層のＡｌ組成ｘが、０．５０〜０．９０であることを特徴とする。
【００１２】
［３］上記［１］又は［２］記載の前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層の層厚が、２０〜２００ｎｍであることを特徴とする。
【００１３】
［４］上記［１］〜［３］のいずれかに記載の前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層にｎ型不純物が添加されていることを特徴とする。
【００１４】
［５］上記［４］記載の前記ｎ型不純物が、Ｓｉ又はＳｅであることを特徴とする。
【００１５】
［６］上記［１］〜［４］のいずれかに記載の前記ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層は、Ａｌ組成ｘが異なる２層以上のＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓを積層させたことを特徴とする。
【００１６】
［７］上記［１］〜［６］のいずれかに記載の量子井戸構造のウェル層は、ＡｌＧａＡｓ又はＧａＡｓからなり、そのＡｌ組成が０（＝ＧａＡｓ）〜０．１２であり、前記ウェル層の厚さが３．０〜１２．５ｎｍであることを特徴とする。
【００１７】
［８］本発明は更に、上記［１］〜［７］のいずれかに記載の発光素子用エピタキシャルウェハを用いて作製されたことを特徴とする発光素子を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ｎ型クラッド層と発光層との間にＰ抑止層を挟んだ構造とすることによって、Ａｓ系結晶である発光層へのＰ混入を抑えることができるようになり、実用上に問題が生じない良好な信頼性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の好適な実施例に係る発光素子用エピタキシャルウェハの一構造例を示す図である。
【図２】実施例に係る発光素子用エピタキシャルウェハの初期特性と信頼性試験の評価結果とを示す表である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好適な実施の形態として、実施例を挙げて、添付図面に基づいて具体的に説明する。
【実施例】
【００２１】
この実施例に係るエピタキシャルウェハにおいては、図１に示すように、Ｐ系結晶であるｎ型クラッド層３の成長後、発光層５に用いるＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層とは異なるＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層４を成長させた後、ｎ型クラッド層３への発光層５の成長を実施する。この実施例の基本構成は、ｎ型クラッド層３と発光層５との間に発光層５とは異なるＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層４を挟んだ構造にある。以下、このＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層４をＰ抑止層４と呼ぶ。
【００２２】
このＰ抑止層４であるＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層のＡｌ組成ｘとしては、０．５０〜０．９０であることが好適であり、Ａｌ組成ｘが異なる２層以上のＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓを積層させた構造であってもよい。このＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層の層厚としては、２０〜２００ｎｍであることが好適である。このＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層には、ｎ型不純物としてのＳｉ又はＳｅが添加されていてもよい。
【００２３】
この発光層５は、ＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ、又はＧａＡｓなどのＡｓ（砒素）系結晶からなり、バリア層とウェル層とのペアを積層させた量子井戸構造を有している。このウェル層のＡｌ組成ｘとしては、０（＝ＧａＡｓ）〜０．１２であり、ウェル層の厚さとしては、３．０〜１２．５ｎｍであることが好適である。
【００２４】
なお、以下の説明においては、ｎ型、及びｐ型のそれぞれを「ｎ−」、及び「ｐ−」で表す。また、不純物を添加しないものはアンドープと呼び、「ｕｎ−」で表す。
【００２５】
［実施例１］
上記基本構成を有するエピ構造は、ＩＩＩ族有機金属原料ガスとＶ族原料ガスとを、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付近で原料が熱分解され、基板上にエピタキシャル成長する有機金属気相成長法により成長させた。
【００２６】
この実施例１の成長では、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の原料としてＴＭＩ（トリメチルインジウム）、Ａｓ原料としてＡｓＨ３（アルシン）、Ｐの原料としてＰＨ３（ホスフィン）、ｎ型不純物であるＳｉの原料としてＳｉ２Ｈ６（ジシラン）、同じくＳｅの原料としてＨ２Ｓｅ（セレン化水素）、Ｔｅの原料としてＤＥＴｅ（ジエチルテルル）を用いた。ｐ型の不純物であるＭｇの原料としてＣｐ２Ｍｇ（ビスシクロペンタジエニルマグネシウム）、Ｚｎの原料としてＤＥＺ（ジエチル亜鉛）を用いた。
【００２７】
図１において、ｎ型導電性ＧａＡｓ基板１上に、バッファ層２として厚さ５００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ（キャリア濃度１×１０１８ｃｍ−３）を成長させた。そのバッファ層２の上に、ｎ型クラッド層３として厚さ１０００ｎｍのｎ型（Ａｌ０．６８Ｇａ０．３２）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ（キャリア濃度５．５×１０１７ｃｍ−３）を成長させた。そのｎ型クラッド層３の上に、この実施例の特徴部をなすＰ抑止層４を成長させた。
【００２８】
この発光層５は、基板１側から、厚さ６．５ｎｍのＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓバリア層と、厚さ５．５ｎｍのＧａＡｓウェル層とのペアを１０ペア積層させた量子井戸構造とした。但し、基板１側に最も近いバリア層は２０ｎｍ成長させ、最上のウェル層上にはバリア層と同じ結晶を２０ｎｍ成長させた。なお、発光層５には不純物を添加しない。発光層５の上にはスペーサ層６として（Ａｌ０．５Ｇａ０．５）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐを３００ｎｍ成長させた。
【００２９】
そのスペーサ層６上には、ｐ型クラッド層７として膜厚８００ｎｍの（Ａｌ０．７Ｇａ０．３）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ（Ｍｇ添加キャリア濃度３×１０１８ｃｍ−３）を成長させた。そのｐ型クラッド層７上にはｐ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８を成長させた。この中間層８は、Ｚｎ添加ｐ型の（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ（キャリア濃度１．０×１０１８ｃｍ−３）を３００ｎｍ成長させた。最上層には、電流分散層９としてＺｎ添加ｐ型のｐ−ＧａＰを９μｍ成長させた。
【００３０】
上記実施例１の成長条件において、Ｐ抑止層４の組成成分を４通りとし、発光素子用エピタキシャルウェハを成長させ、各ウェハのＳＩＭＳ分析を実施した。
【００３１】
図２において、実施番号１〜４は、Ｐ抑止層４を成長させた実施例に係るウェハである。実施番号５は、Ｐ抑止層を有しない比較例としてのウェハである。実施番号１は、厚さ５０ｎｍのＰ抑止層ｕｎ−Ａｌ０．６５Ｇａ０．３５Ａｓであり、実施番号２は、厚さ２００ｎｍのＰ抑止層ｕｎ−Ａｌ０．６５Ｇａ０．３５Ａｓであり、実施番号３は、厚さ５０ｎｍのＰ抑止層ｓｉドープ（４．０×１０１７ｃｍ−３）Ａｌ０．６５Ｇａ０．３５Ａｓであり、実施番号４は、厚さ２５ｎｍのＰ抑止層ｕｎ−Ａｌ０．６５Ｇａ０．３５Ａｓとｕｎ−Ａｌ０．７０Ｇａ０．３０Ａｓである。
【００３２】
実施番号１〜５のそれぞれのウェハのＳＩＭＳ分析により、発光層５へのＰ混入濃度を確認した。ここで、ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）とは二次イオン質量分析のことである。Ｏ２＋やＣｓ＋３のようなイオンを試料表面に照射し、スパッタされた原子の中でイオン化された二次イオンを質量分析することにより、物質の成分や不純物の分析を行う方法である。イオンによって試料表面がスパッタされるので、試料表面からの深さの方向の元素分布も得られる。
【００３３】
ＳＩＭＳ結果によれば、Ｐ抑止層４を有しない比較例である実施番号５のウェハでは、発光層５付近のＰ濃度が４．５×１０１７（ａｔｏｍｓ／ｃｃ）であった。これに対し、Ｐ抑止層４を成長させた実施例である実施番号１〜４のウェハでは、発光層５付近のＰ濃度は、バックグラウンドレベル２．７×１０１５（ａｔｏｍｓ／ｃｃ）前後であった。この結果から、Ｐ抑止層４によって発光層５へのＰ混入が抑止されることが確認できた。
【００３４】
上記のように構成された実施番号１〜５のそれぞれのウェハをチップ化し、電極を形成することで、発光素子としてのＬＥＤチップが得られる。このＬＥＤチップを定法に従い作製し、ＬＥＤ特性を比較した。その特性を図２にまとめて示す。比較した特性は次の（１）〜（４）の通りである。
（１）通電初期の発光出力：Ｐｏ１［ｍｗ］、
（２）通電初期の動作電圧：Ｖｆ１［Ｖ］、
（３）２４０時間通電後の発光出力：Ｐｏ２［ｍｗ］、及び
（４）２４０時間通電後の動作電圧：Ｖｆ２［Ｖ］。
【００３５】
図２において、上記特性（１）及び（２）を初期特性といい、信頼性試験は、２４０時間通電後特性の初期特性に対する割合ΔＰｏ［％］＝（Ｐｏ２／Ｐｏ１）×１００と、ΔＶｆ［Ｖ］＝Ｖｆ２−Ｖｆ１との結果により評価した。
【００３６】
この信頼性試験の評価結果は、ΔＰｏの値、及びΔＶｆの値が小さければ小さいほど、信頼性が高いと言える。その目安としては、ΔＰｏ＝９５〜１１０％の範囲、及びΔＶｆ＝±０．１Ｖの範囲を維持することが好適であり、実用上に問題が生じない優れた製品が形成できる。
【００３７】
図２から明らかなように、Ｐ抑止層４を成長させない実施番号５のウェハを用いた比較例のＬＥＤチップでは、ΔＶｆは０．０７Ｖであり、これに問題はない。しかしながら、ΔＰｏは、１４６％と高くなり、初期特性の許容数値範囲を大きく超えていた。これに対し、Ｐ抑止層４を成長させた実施番号１〜４のウェハを用いた実施例のＬＥＤチップでは、ΔＶｆ、及びΔＰｏともに充分に小さい値であり、初期の目的とする特性の許容数値範囲を満足しており、良好な信頼性結果を得ることができた。
【００３８】
以上の説明からも明らかなように、本発明の発光素子用エピタキシャルウェハ、及び発光素子を上記実施例に基づいて説明したが、本発明は上記実施例、及び図示例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の態様において実施することが可能である。本発明にあっては、例えば次に示すような実施例も可能である。
【００３９】
［実施例２］
上記実施番号１及び２のウェハにおける信頼性試験の評価に続いて、Ｐ抑止層の膜厚を確認したところ、Ｐ抑止層４の膜厚としては、２０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲が最適値であることが分かった。また、Ｐ抑止層４としてのＡｌｘＧａ（１−ｘ）Ａｓ層のＡｌ組成ｘを変更して評価した結果、Ａｌ組成ｘは０．５０〜０．９０の範囲で良好な結果を得ることができた。
【００４０】
［実施例３］
上記実施番号３のウェハにおける信頼性試験の評価に続いて、Ｓｉキャリア濃度を２．０〜１５．０×１０１７ｃｍ−３に変化させた結果、Ｓｉキャリア濃度は２．０〜１２．０×１０１７ｃｍ−３の範囲内で良好な結果を得ることができた。また、ＳｉドープをＳｅドープに変更しても上記実施例と同様の結果を得ることができた。
【００４１】
［実施例４］
上記実施例では、発光層５は、基板１側からＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓバリア層：６．５ｎｍとＧａＡｓウェル層：５．５ｎｍとのペアを１０ペア積層させた量子井戸構造を有していたが、これに限定されるものではない。このウェル層にＡｌを添加してＡｌＧｓＡｓ層とし、そのＡｌ組成ｘを０〜０．１２程度まで変化させた場合、又はウェル層の厚さを３．０〜１２．５ｎｍ程度まで変化させた場合、つまり発光層の発光波長を変化させても、上記実施例と同様の効果が得られることが分かった。このときの発光層５の量子井戸構造のペア数は１０ペアに限るものではない。
【００４２】
［実施例５］
発光素子用エピタキシャルウェハとして、半導体レーザーダイオード用エピタキシャルウェハを成長させ、ＬＤ特性を評価した。その結果の良否は、上記実施例１〜４とほぼ同様の傾向にあることが分かった。
【符号の説明】
【００４３】
１      ｎ型導電性ＧａＡｓ基板
２      バッファ層
３      ｎ型クラッド層
４      Ｐ抑止層
５      発光層
６      スペーサ層
７      ｐ型クラッド層
８      中間層
９      電流分散層
【図１】
2012094733.tif 000003
【図２】
2012094733.tif 000004