JPH0964416A - エピタキシャルウェーハおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 良好なｐｎ接合を有するエピタキシャルウェ
ーハを効率良く得る。 【構成】 赤外発光用のＳｉドープのＧａＡｓ系エピタ
キシャルウェーハにおいて、ｐｎ接合近傍のキャリア濃
度を１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上に維持するよう、Ｓｉの自然
反転温度以上で成長溶液を切り離してｎ層の成長を停止
し、Ｓｉの自然反転温度以下で再びｐ層の成長を再開す
る。 【効果】 稲妻型の不良接合が発生しない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＧａＡｓ系の赤外発光ダ
イオード用エピタキシャルウェーハおよびその製造方法
に係り、特に良好なｐｎ接合を有するエピタキシャルウ
ェーハおよびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】Ｓｉド−プのｎ型ＧａＡｓまたはＧａＡ
ｌＡｓエピタキシャル層と、Ｓｉド−プのｐ型ＧａＡｓ
またはＧａＡｌＡｓ層によりｐｎ接合を形成したエピタ
キシャルウェーハは、フォトカプラ−や各種の光センサ
−、リモ−トコントロ−ラ−の光源等として用いられる
赤外発光ダイオード（ＬＥＤ）の材料として広く利用さ
れている。例えば、ＧａＡｓのｐｎ接合を利用した例と
しては、National Technical Report Vol.18, No.3, 19
72 p.249〜p.258 等があり、ＧａＡｌＡｓのｐｎ接合を
利用した例としては特開昭５９−２２８７１７等があ
る。これは、図１に示すように、ｎ型ＧａＡｓ基板上
に、Ｓｉド−プのｎ型エピタキシャル層とＳｉド−プの
ｐ型エピタキシャル層を順次成長させた構造となってい
る。また、最近では、特開昭５９−１２１８３０、特開
昭６０−２０６１８４、特開平−２１５０７等のよう
に、ｐｎ接合形成層の上に、さらに窓層を形成し、高発
光出力化したものも用いられている。これは、ｐｎ接合
形成層の上に、バンドギャップのより大きい窓層を形成
することにより、ｐｎ接合から注入された電子を発光層
であるｐ型エピタキシャル層に閉じ込めるとともに、窓
層が発光した光に対して透明であることを利用して高出
力化を図ったものである（例えば、E.S.Yang著、「半導
体デバイスの基礎」1981年、マグロウヒル好学社 p.18
3 〜p.184 ）。

【０００３】これらの発光ダイオードにおいて、ＧａＡ
ｓあるいはＧａＡｌＡｓのｐｎ接合部分は、両性不純物
であるＳｉのｎｐ自然反転を用いて、液相エピタキシャ
ル法により連続的に製造している。ＧａＡｓあるいはＧ
ａＡｌＡｓの液相エピタキシャル成長においてＳｉを不
純物として用いると、高温ではｎ型エピタキシャル層が
成長し、低温ではｐ型エピタキシャル層が成長する。従
って、ｎからｐに変わるｎｐ反転温度よりも高温から低
温までエピタキシャル成長を行なうことにより、１つの
成長用溶液から、１回のエピタキシャル成長によって、
ｎ型エピタキシャル層とｐ型エピタキシャル層を連続的
に成長させることができる。このため、製造が容易であ
り、生産性が高い利点がある。ｎｐ反転温度は、基板面
方位やＡｌ組成、Ｓｉ濃度、冷却速度等によって異なる
が、ＧａＡｓの場合、面方位（１００）で通常は８５０
〜９００℃程度である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】Ｓｉのｎｐ自然反転を
用いてｐｎ接合を形成する場合、ｎ型およびｐ型エピタ
キシャル層中のキャリア濃度は図２（ａ）に示すような
プロファイルとなり、ｐｎ接合近傍では１０¹⁶ｃｍ^-3以
下に極端に低下する。このため成長雰囲気の微小な揺ら
ぎ等によりｐｎ接合が乱れて図３（ｂ）に示すような稲
妻状の接合が発生し、素子特性不良の原因となる。この
稲妻型の接合はウェーハの全面にわたって散在し、その
大きさは大部分は数１０μｍ程度であるが、大きいもの
では数１００μｍになるものもある。エピタキシャルウ
ェーハをＬＥＤとして使用する場合には、ウェーハの表
面および裏面に電極を形成した後、切断してチップとし
て使用する。チップの幅は通常２００〜４００μｍ程度
であり、チップが大きな稲妻型接合の中に入ってしまう
と、図３（ｂ）に示すように、ｐ型エピタキシャル層３
からｎ型エピタキシャル層２にかけてｐ−ｎ−ｐ−ｎ型
接合となり、素子特性不良となる。正常なｐｎ接合は図
３（ａ）に示すように、単純にｐ−ｎとなっていなけれ
ばならない。この稲妻型接合の発生機構は十分解明され
ていない。本発明者等は、特願平６−３０９０８４にお
いて、稲妻型接合を低減する方法を提案した。この方法
により、稲妻型接合は大幅に低減するが、完全になくな
るまでには至っていない。従って、稲妻型接合のないエ
ピタキシャルウェーハを得る手段がないのが実情であ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、稲妻型接合
のない、良好なｐｎ接合を有するエピタキシャルウェー
ハを得る方法について検討を重ねた結果、本発明に至っ
た。以下にその方法について説明する。図４は、図１に
示す構造のエピタキシャルウェーハを製造するための、
従来の方法の温度プログラムの一例であり、図５は、本
発明の方法の温度プログラムの一例である。従来の方法
では、所定量の原材料からなる成長用溶液を、ｎｐ反転
温度Ｔｃよりも高温であるＴ１で一定時間保持した後、
Ｔ１で成長用溶液と基板を接触させ、その後、温度をＴ
ｃよりも低温であるＴ４まで所定の冷却速度で冷却して
エピタキシャル成長させ、Ｔ４で成長用溶液と基板を分
離する。これにより、Ｔ１からＴｃまではｎ型エピタキ
シャル層が成長し、ＴｃからＴ４まではｐ型エピタキシ
ャル層が成長する。このとき、ｎ型エピタキシャル層の
キャリア濃度は、Ｔ１からＴｃに向かって減少し、Ｔｃ
からＴ４に向かって増加する。Ｔｃ近傍ではｎ層、ｐ層
いずれも１×１０¹⁶ｃｍ^-3以下と、極端に低下する。

【０００６】そこで、本発明では、基板と成長用溶液を
接触させてｎ型エピタキシャル層を成長させた後、ｎｐ
反転温度よりも高い温度で基板と成長用溶液を分離し、
ｎｐ反転温度以下に降温させた後、ふたたび基板と成長
用溶液を接触させてｐ型エピタキシャル層を成長させる
方法を検討した。すなわち、図５に示すように、Ｔ１で
成長用溶液と基板を接触させた後、ｎｐ反転温度Ｔｃよ
りも高温であるＴ２まで所定の冷却速度で冷却し、Ｔ２
で成長用溶液と基板とをいったん分離する。温度をＴｃ
よりも低温であるＴ３まで降温し、Ｔ３で再び成長用溶
液と基板を接触させ、Ｔ４まで所定の冷却速度で冷却
し、Ｔ４で成長用溶液と基板を分離する。これにより、
Ｔ１からＴ２まではｎ型エピタキシャル層が成長し、Ｔ
３からＴ４まではｐ型エピタキシャル層が成長する。Ｔ
２とＴ３を種々変化させて実験を行ったところ、Ｔ２が
Ｔｃよりも５℃以上高く、Ｔ３がＴｃよりも５℃以上低
い場合に、稲妻型接合の発生が見られず、良好なｐｎ接
合が得られることが判明した。この条件において、ｎ型
エピタキシャル層およびｐ型エピタキシャル層のｐｎ接
合側のキャリア濃度は、いずれもすべて１×１０¹⁶ｃｍ
^-3以上であった。このｐｎ接合部のキャリア濃度は、ｐ
層、ｎ層のキャリア濃度より高くなることはなく、良好
なｐｎ接合ではせいぜい１×１０¹⁸ｃｍ^-3が上限とな
る。

【０００７】以上の結果より、Ｓｉド−プのｎ型エピタ
キシャル層とＳｉド−プのｐ型エピタキシャル層により
ｐｎ接合を形成するエピタキシャルウェーハにおいて、
ｎ型エピタキシャル層およびｐ型エピタキシャル層のｐ
ｎ接合近傍のキャリア濃度を１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上、１
×１０¹⁸ｃｍ^-3以下とすることにより、稲妻型接合のな
い、良好なｐｎ接合を有するエピタキシャルウェーハが
得られることが明らかとなった。成長用溶液は、ｎ型エ
ピタキシャル層成長時（Ｔ１→Ｔ２）とｐ型エピタキシ
ャル層成長時（Ｔ３→Ｔ４）で、１つの同じ成長用溶液
を用いることが望ましい。１つの同じ成長用溶液を用い
ることにより、従来の方法の特徴である高い生産性が、
そのまま維持される。しかしながら、ｎ型エピタキシャ
ル層とｐ型エピタキシャル層を別々の成長用溶液から成
長させた場合でも、本発明の方法を用いることにより、
稲妻型接合のない、良好なｐｎ接合を有するエピタキシ
ャルウェーハを得ることができる。

【０００８】

【作用】本発明では、Ｓｉドープのｎ型エピタキシャル
層およびＳｉドープのｐ型エピタキシャル層のｐｎ接合
側のキャリア濃度を１×１０¹⁶ｃｍ^-3以上とすることに
より、稲妻型接合のない、良好なｐｎ接合を有するエピ
タキシャルウェーハが得られる。これは、従来のエピタ
キシャルウェーハと比べてｐｎ接合部でのキャリア濃度
が高いため、成長雰囲気の微小な揺らぎ等によるキャリ
ア濃度の変動の影響が、相対的に小さくなったことによ
るものと推定される。

【０００９】また、本発明では、基板と成長用溶液を接
触させてＳｉドープのｎ型エピタキシャル層を成長させ
た後、ｎｐ反転温度Ｔｃよりも高い温度Ｔ２で基板と成
長用溶液を分離し、Ｔｃより低温であるＴ３まで降温さ
せた後、ふたたび基板と成長用溶液を接触させてＳｉド
ープのｐ型エピタキシャル層を成長させる方法で、上記
のエピタキシャルウェーハを製造することができる。こ
れは、基板と成長用溶液を分離した状態でＴ２からＴ３
まで降温するので、キャリア濃度が極端に低下するＴｃ
近傍でのエピタキシャル成長が行われないことによる。
Ｔ２をＴｃより５℃以上高くし、Ｔ３をＴｃより５℃以
上低くすることにより、ｐｎ接合でのキャリア濃度が１
×１０¹⁶ｃｍ^-3以上となり、稲妻型接合のない、良好な
ｐｎ接合を有するエピタキシャルウェーハを製造するこ
とができる。

【００１０】

【実施例】本発明を、実施例を基に詳細に説明する。 （実施例１）スライドボートの基板ホールダーに面方位
（１００）のｎ型ＧａＡｓ基板をセットし、成長用溶液
溜に、成長用溶液の原料であるＧａメタル１００ｇ、Ｇ
ａＡｓ多結晶１５ｇ、Ｓｉ３００ｍｇをセットした。こ
のスライドボートを横型エピタキシャル成長炉に挿入
し、水素通流下で９１０℃（Ｔ１）に昇温して保持し、
成長用溶液が飽和した後、ボートをスライドさせて基板
と成長用溶液を接触させて８９０℃（Ｔ２）まで１℃／
ｍｉｎの冷却速度で冷却した。８９０℃（Ｔ２）でボー
トをスライドさせて基板と成長用溶液を分離して温度を
８８０℃（Ｔ３）まで降温し、８８０℃（Ｔ３）でボー
トをスライドさせて、ふたたび基板と元の成長用溶液を
接触させ、７５０℃（Ｔ４）まで１℃／ｍｉｎの冷却速
度で冷却した。７５０℃（Ｔ４）で基板と成長用溶液を
分離し、室温まで冷却した。得られたエピタキシャルウ
ェーハの層厚は、ｎ型ＧａＡｓエピタキシャル層が４２
μｍ、ｐ型ＧａＡｓエピタキシャル層が９１μｍであっ
た。ｐｎ接合近傍のキャリア濃度は、２×１０¹⁶ｃｍ^-3
であった。エピタキシャルウェーハを劈開して顕微鏡で
ｐｎ接合を観察した結果、ウェーハ全面にわたって稲妻
型接合の発生は見られず、良好なｐｎ接合であった。次
に、エピタキシャルウェーハの表面および裏面に金電極
を形成した後、３００μｍ角に切断してＬＥＤチップを
作製し、素子特性の評価を行なった。結果を表１に示
す。またキャリア濃度プロファイルを図２（ｂ）に示
す。

【００１１】（実施例２）Ｔ２を８９５℃に、Ｔ３を８
７５℃に変更した以外は、実施例１と同一条件でエピタ
キシャルウェーハを作製した。得られたエピタキシャル
ウェーハの層厚は、ｎ型エピタキシャル層が３７μｍ，
ｐ型エピタキシャル層が８７μｍであった。ｐｎ接合近
傍のキャリア濃度は、５×１０¹⁶ｃｍ^-3であった。ｐｎ
接合は、実施例１と同様に稲妻型接合は見られず、良好
であった。実施例１と同様に素子特性を評価した結果を
表１に示す。

【００１２】（比較例）実施例と同様にセットしたスラ
イドボートを横型エピタキシャル成長炉に挿入し、水素
通流下で９１０℃（Ｔ１）に昇温して保持し、成長用溶
液が飽和した後、ボートをスライドさせて基板と成長用
溶液を接触させて７５０℃（Ｔ４）まで１℃／ｍｉｎの
冷却速度で冷却した。７５０℃（Ｔ４）で基板と成長用
溶液を分離し、室温まで冷却した。この成長条件で、ｎ
ｐ反転温度Ｔｃは８８５℃であった。得られたエピタキ
シャルウェーハの層厚は、ｎ型エピタキシャル層が４９
μｍ、ｐ型エピタキシャル層が９８μｍであった。ｐｎ
接合近傍のキャリア濃度は、１×１０¹⁵ｃｍ^-3であっ
た。エピタキシャルウェーハを劈開して顕微鏡でｐｎ接
合を観察した結果、ウェーハ全面にわたって稲妻型接合
の発生が見られた。

【００１３】実施例１と同様に素子特性を評価した結果
を表１に示す。表１で、実施例と比較例の素子特性を比
べると、発光出力、発光波長、順方向電圧（ＶＦ２０ｍ
Ａ）、逆方向電圧（ＶＲ１０μＡ）いずれも実施例と比
較例とで有意差は認められず、同等の素子特性となって
いる。また、本発明で稲妻型接合に起因する素子不良は
発生せず一枚のウェーハから得られる素子歩留りも大幅
に向上した。

【００１４】

【表１】

【００１５】

【発明の効果】本発明によれば、従来品と同等の素子特
性であり、かつ稲妻型接合のない、良好なｐｎ接合を有
する赤外ＬＥＤ用エピタキシャルウェーハが得られる。
このウェーハを用いてＬＥＤチップを作製することによ
り、稲妻型接合に起因する素子特性不良がなくなり、素
子化歩留りが向上する。なお、実施例ではｎ型ＧａＡｓ
エピタキシャル層とｐ型ＧａＡｓエピタキシャル層をｐ
ｎ接合形成層とする場合について説明したが、ｐｎ接合
形成層がＧａＡｌＡｓ層の場合や、ｐｎ接合形成層の上
に窓層を形成する窓構造エピタキシャルウェーハにおい
ても、同様の効果が得られる。また、実施例では、液相
エピタキシャル成長装置としてスライドボートを用いた
例を示したが、スライドボートに限定されるものではな
く、ディップ法等の他の装置を用いた場合にも同様の効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ｓｉドープのｎ型エピタキシャル層とＳｉドー
プのｐ型エピタキシャル層によりｐｎ接合を形成したエ
ピタキシャルウェーハの構造を示す図。

【図２】Ｓｉの自然反転を用いてｐｎ接合を形成した場
合のｎ型およびｐ型エピタキシャル層中のキャリア濃度
プロファイルを示す図。（ａ）は従来例、（ｂ）は本発
明例。

【図３】ｐｎ接合近傍の稲妻型接合の発生状況を説明す
る図で、（ａ）は正常な接合、（ｂ）は稲妻型接合を示
す。

【図４】従来のエピタキシャル成長の温度プログラムを
示す図。

【図５】本発明のエピタキシャル成長の温度プログラム
の一例を示す図。

【符号の説明】

１ ｎ型ＧａＡｓ基板 ２ ｎ型エピタキシャル層 ３ ｐ型エピタキシャル層

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上にＳｉド−プのｎ型ＧａＡ
   ｓまたはＳｉドープのｎ型ＧａＡｌＡｓエピタキシャル
   層、およびＳｉド−プのｐ型ＧａＡｓまたはＳｉドープ
   のｐ型ＧａＡｌＡｓエピタキシャル層によりｐｎ接合を
   形成した発光ダイオード用エピタキシャルウェーハであ
   って、ｎ型ＧａＡｓまたはｎ型ＧａＡｌＡｓエピタキシ
   ャル層と、ｐ型ＧａＡｓまたはｐ型ＧａＡｌＡｓエピタ
   キシャル層のｐｎ接合近傍のキャリア濃度が１×１０¹⁶
   ｃｍ^-3以上、１×１０¹⁸ｃｍ^-3以下であることを特徴と
   するエピタキシャルウェーハ。
2. 【請求項２】 半導体基板上に液相エピタキシャル成長
   法により、Ｓｉド−プのｎ型ＧａＡｓまたはＳｉドープ
   のｎ型ＧａＡｌＡｓエピタキシャル層、およびＳｉド−
   プのｐ型ＧａＡｓまたはＳｉドープのｐ型ＧａＡｌＡｓ
   エピタキシャル層を成長させてｐｎ接合を形成するエピ
   タキシャルウェーハの製造方法において、先ず基板と成
   長用溶液とを接触させてＳｉド−プのｎ型ＧａＡｓまた
   はＳｉドープのｎ型ＧａＡｌＡｓエピタキシャル層を成
   長させた後、Ｓｉのｎｐ反転温度よりも高い温度で基板
   と成長用溶液を分離し、しかる後、Ｓｉのｎｐ反転温度
   以下に降温させた後、ふたたび基板と成長用溶液を接触
   させてＳｉド−プのｐ型ＧａＡｓまたはＳｉドープのｐ
   型ＧａＡｌＡｓ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ェーハの製造方法。
3. 【請求項３】 基板と成長用溶液とを分離する温度がＳ
   ｉのｎｐ反転温度より５℃以上高く、ふたたび基板と成
   長用溶液を接触させる温度がＳｉのｎｐ反転温度より５
   ℃以上低いことを特徴とする請求項２に記載のエピタキ
   シャルウェーハの製造方法。