JPH084151B2

JPH084151B2 - エピタキシャル・ウエハ

Info

Publication number: JPH084151B2
Application number: JP5083788A
Authority: JP
Inventors: 忠重佐藤; 康二小橋; 俊男石渡; 尚徳藤田; 雅弘野口
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1988-03-04
Filing date: 1988-03-04
Publication date: 1996-01-17
Anticipated expiration: 2011-01-17
Also published as: JPH11150293A; JPH01225115A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明は、高輝度発光ダイオード（以下「LED」とい
う。）の製造に適したIII−Ｖ族化合物（周期律表第III
b族及びV b族元素からなる化合物をいう。以下同様）
エピタキシャル・ウエハ、特に異種の単結晶層が積層さ
れた、いわゆるヘテロ構造を有するエピタキシャル・ウ
エハに関する。

「従来の技術」最近、LEDが駅等における案内板、自動車のハイマウ
ント・ストップ・ランプ等屋外で用いる表示装置に採用
される機会が多くなってきた。これは、LEDが寿命が長
く、各種の色の光が得られるからであるが、かかる需要
が増加するに従ってLEDの光出力の一層の向上が要求さ
れるようになった。

さらに、このような表示装置では、設計上の理由か
ら、LEDのブレーク・ダウン電圧が10V以上であることが
要求されていた。

このような用途には、りん化ガリウム、りん化ひ化ガ
リウム等のIII−Ｖ族化合物単結晶層を用いるホモ構造
のLEDに比較して発光効率が高く、大きい光出力が得ら
れることから、従来、直接遷移型バント構造を有するII
I−Ｖ族化合物単結晶層及び間接遷移型バント構造を有
するIII−Ｖ族化合物単結晶層を含むヘテロ構造を有す
るエピタキシャル・ウエハを用いて製造したLEDが用い
られていた。

「発明が解決しようとする課題」しかしながら、従来のヘテロ構造を有するエピタキシ
ャル・ウエハにおいては、得られたLEDの光出力及びブ
レーク・ダウン電圧のばらつきが大きく、上記の要求を
満たすLEDの歩留りが低下するという問題があった。

「課題を解決する手段」本発明者等は、ヘテロ構造を有するエピタキシャル・
ウエハを用いて製造したLEDの光出力等のばらつきは減
少し、歩留りを向上させることを目的として、鋭意研究
を重ねた結果、従来のヘテロ構造を有するエピタキシャ
ル・ウエハでは、ヘテロ構造を構成する単結晶層の組成
の界面とpn接合とが、ほぼ一致していることが上記歩留
りの低下等の原因となっていたことを見出だし、本発明
に到達したものである。

本発明の上記の目的は、直接遷移型バンド構造を有す
るIII−Ｖ族化合物単結晶層及び間接遷移型バンド構造
を有するIII−Ｖ族化合物単結晶層を含むヘテロ構造を
有するエピタキシャル・ウエハにおいて、上記間接遷移
型バンド構造を有するIII−Ｖ族化合物単結晶層内であ
って、上記両単結晶層の界面から0.2μｍ以上離れた位
置にpn接合を設けることによって達せられる。

本発明の単結晶層を構成するIII−Ｖ族化合物として
は、周期律表第III b族元素であるアルミニウム、ガリ
ウム、インジウム等と周期律表第V b族元素であるり
ん、ひ素、アンチモン等との化合物の内から選ばれ、ひ
化ガリウム、りん化ガリウム、ひ化インジウム、りん化
インジウム等の単一化合物でもよいが、ひ化ガリウム・
アルミニウム、りん化ガリウム・インジウム、りん化ア
ルミニウム・ガリウム・インジウム、ひ化アルミニウム
・ガリウム・インジウム、りん化ひ化ガリウム・インジ
ウム等の混晶が、その構成元素の比率、すなわち、混晶
率を変化させるだけで、直接遷移型及び間接遷移型の双
方のバンド構造を選択できるので好ましい。

すなわち、本発明における、ヘテロ構造を構成する第
一の方法は、混晶率を変えてバンド構造の異なる両単結
晶層を形成することによって行われる。例えば、ひ化ガ
リウム・アルミニウム（Ga_1-xAl_xAs）では、Alの混晶率
_ｘを0.45より小さくして直接遷移型バンド構造の層を、
また0.45より大きくして間接遷移型バント構造の層を得
ることができる。同様に、りん化ガリウム・インジウム
（Ga_1-xIn_xP）では、Inの混晶率_ｘを0.3より大きくして
直接遷移型の層を、また0.3より小さくして間接遷移型
の層を得ることができる。

また、ヘテロ構造を構成する第２の方法は、異なる元
素を含有するIII−Ｖ族化合物と組合わせることによっ
て行われる。このような例としては、例えば、間接遷移
型バンド構造のりん化アルミニウム・ガリウム・インジ
ウムの層と、直接遷移型バント構造のりん化ガリウム・
インジウムの層との組合わせがある。

更に、本発明におけるヘテロ構造は、バンド構造の異
なる両結晶層を含んでいれば、それぞれ１層だけに限ら
れるものではなく、用途によっては、種々の組合わせお
よび配列を採り得ることは言うまでもない。例えば、以
下に詳述するLED用途のエピタキシャル・ウエハのヘテ
ロ構造としては、直接遷移型バンド構造を有する単結晶
層１層と、間接遷移型バンド構造を有する単結晶層１層
を組合わせたシングル・ヘテロ型及び直接遷移型バンド
構造を有する単結晶層１層を、２層の間接遷移型バント
構造を有する単結晶層で挟持したダブル・ヘテロ型が通
常用いられる。

シングル・ヘテロ型構造は、構造が簡単であるが、光
出力が低く、一方、ダブル・ヘテロ型構造は、構造が複
雑であるが、光出力が高いという特徴がある。

本発明のエピタキシャル・ウエハを、図面に基づいて
説明する。

第１図は、ダブル・ヘテロ型のヘテロ構造を有するエ
ピタキシャル・ウエハの１例の縦断面模型図である。

第１図において、１は、単結晶基板である。基板１と
しては、ひ化ガリウム、りん化ガリウム、りん化インジ
ウム等の単結晶から切出したものが用いられる。基板１
には、この上に設ける単結晶層２との格子定数の差が小
さいものがよい。単結晶層２として、ひ化ガリウム・ア
ルミニウムを用いる場合は、基板１として、ひ化ガリウ
ムを用いるのが好ましい。基板は、LEDを製造する際
に、光出力の向上等の目的のために必要に応じて除去、
あるいは、研磨される。

２は、間接遷移型バンド構造を有するIII−Ｖ族化合
物単結晶層である。単結晶層２の厚さは、通常20〜200
μｍが適当である。また、単結晶層２の伝導型は、通常
ｐ型である。

３は、直接遷移型バンド構造を有するIII−Ｖ族化合
物単結晶層である。

単結晶層３の厚さは、通常は0.5〜５μｍの範囲に選
択される。これは、光の自己吸収を少なくすること及び
キャリアの閉込めによる発光効率の増加を図るためであ
る。また、単結晶層３の伝導型は、通常は、ｐ型であ
る。

４は、間接遷移型バンド構造を有するIII−Ｖ族化合
物単結晶層である。単結晶層４の厚さは、通常20〜50μ
ｍである。

５は、直接遷移型バンド構造を有する単結晶層３と間
接遷移型バンド構造を有する単結晶層との界面である。

６は、pn接合である。pn接合６は、単結晶層４内であ
って、界面５から0.2μｍ以上離れた位置、好ましくは
約５μｍ以内、より好ましくは、0.5〜３μｍの範囲内
の位置に設ける必要がある。pn接合６の位置が、界面５
から0.2μｍ未満であると、光出力、ブレーク・ダウン
電圧等のばらつきが大きくなるので好ましくない。

単結晶層４内、界面５及びpn接合６に挟まれた領域の
キャリア濃度は、１×10¹⁷cm^-3以下、より好ましくは約
１×10¹⁶〜８×10¹⁶cm^-3とすると光出力が向上するので
好ましい。

また、その他の単結晶層及び基板のキャリア濃度は、
１×10¹⁷cm^-3以上とするのが、LEDの順方向立上がり電
圧が低く好ましい。

以上、ダブル・ヘテロ構造を有するエピタキシャル・
ウエハについて、本発明を説明したが、シングル・ヘテ
ロ構造を有するエピタキシャル・ウエハについても同様
である。シングル・ヘテロ構造を有するエピタキシャル
・ウエハでも、直接遷移型のバンド構造を有する単結晶
層はｐ型とするのが通常である。

本発明のエピタキシャル・ウエハは、液相エピタキシ
ャル成長法によって成長させるのが通常であるが、気相
エピタキシャル成長法、分子線エピタキシャル成長法等
によってもよい。気相エピタキシャル成長法を用いる場
合は、有機金属気相成長法、いわゆる、MOCVD法による
のが好ましい。

「発明の効果」本発明は、次のような顕著な効果があるので産業上の
利用価値が大である。

（１）本発明のエピタキシャル・ウエハを用いて製造
したLEDは光出力が大きく、かつ、そのばらつきも小さ
い。

（２）また、得られたLEDのブレーク・ダウン電圧も
高く、かつ、そのばらつきも小さい。

（３）従って、LEDの製造歩留りが、著しく向上す
る。

「実施例」本発明を実施例及び比較例に基づいて、具体的に説明
する。

以下の実施例において、エピタキシャル・ウエハは、
本出願人等の出願である特願昭62−273,999号に記載さ
れる方法及び装置を用いて、液相エピタキシャル成長法
によって成長させた。

キャリア濃度は英国ポーラン社製「セミコンダクター
・プロファイル・プロッター」を用いて測定した。ま
た、pn接合の付近のキャリア濃度は、そのpn接合に逆電
圧を印加した際に生じるキャリアの空乏層を用いたＣ−
Ｖ法によっても測定した。

混晶率の測定は、Ｘ線マイクロアナライザーを用いて
測定した結果から、ZAF補正法により求めた。

組成の境界は、電子線誘導電流法又は電子顕微鏡によ
る２次電子像より求めた。

LEDの光出力は、エポキシ・コート付、電流密度12.5A
/cm²の条件で測定した。

実施例単結晶基板として、厚さ300μｍの亜鉛をドープした
ｐ型ひ化ガリウム単結晶基板を用いた。基板表面の面方
位は、｛100｝面とした。

上記基板を液相エピタキシャル成長装置内の所定の箇
所に配置した。成長装置の各融液槽Ａ〜Ｄには、金属Ga
100g中に第１表に示す組成およびドーパントを含有する
各単結晶層成長用融液を収容した。

水素気流中で上記成長装置を900℃に加熱して、上記
基板を順次各単結晶層成長用融液との接触および750℃
までの降温を繰返して、液相エピタキシャル成長を行っ
た。

得られたエピタキシャル・ウエハの半面を用いて、各
単結晶層の厚み、キャリア濃度、混晶率及び伝導型を測
定した。それらの測定値は、第２表に示す。

エピタキシャル・ウエハの残りの半面を研磨して、厚
みを約250μｍにした後、電極を形成して約300μｍ×約
300μｍのチップを構成した。このチップをステムに取
り付けて、エポキシ樹脂でコートして、LEDランプを作
製した。

得られたLEDランプのピーク発光波長は、平均662nm、
ブレーク・ダウン電圧は20〜25V、また、光出力は、平
均2.5cdであった。光出力の分布は、第２図に示す。

比較例成長用融液として、第１表記載の融液３を用いなかっ
たこと以外は実施例と同様にして、両単結晶層の界面と
pn接合が、ほぼ一致したエピタキシャル・ウエハを成長
させた。得られたエピタキシャル・ウエハのpn接合は、
単結晶相３及び４の組成界面と0.1μｍ以内で一致して
いた。

このエピタキシャル・ウエハの半面を用いて、各単結
晶層の厚み、キャリア濃度、混晶率及び伝導型を測定し
た。それらの測定値は、第３表に示す。なお、本比較例
及び第３表では、説明の便宜上、第１図の参照符号を用
いて各層を表示した。

エピタキシャル・ウエハの残りの半面を研磨して、厚
みを約250μｍにした後、電極を形成して約300μｍ×約
300μｍのチップを構成した。得られたチップをステム
に取り付けて、エポキシ樹脂でコートして、LEDランプ
を作製した。

得られたLEDランプのピーク発光波長は、662nm、ブレ
ーク・ダウン電圧は0.5〜10Vであった。また、光出力
は、平均1.9cdであった。光出力の分布は、第３図に示
す通りであった。

実施例及び比較例から明らかな通り、本発明のエピタ
キシャル・ウエハを用いてLEDを製造すると、従来のエ
ピタキシャル・ウエハを用いたLEDに比較して、光出力
が大きく、かつ、ブレーク・ダウン電圧も高い。また、
光出力及びブレーク・ダウン電圧のばらつきも小さいの
で、LEDの歩留りも向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のエピタキシャル・ウエハの１例の縦
断面模型図である。第２図は、実施例で製造したエピタキシャル・ウエハを
用いて製造したLEDランプの光出力の分布図である。第３図は、比較例で製造したエピタキシャル・ウエハを
用いて製造したLEDランプの光出力の分布図である。第２図及び第３図において、縦軸は、LEDランプの個
数、また、横軸は、光出力（単位:cd）を示す。１……基板２……間接遷移型バンド構造を有する単結晶層３……直接遷移型バンド構造を有する単結晶層４……間接遷移型バンド構造を有する単結晶層５……両単結晶層の界面６……pn接合

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤田尚徳茨城県牛久市東猯穴町1000番地三菱モンサント化成株式会社筑波工場内 (72)発明者野口雅弘茨城県牛久市東猯穴町1000番地三菱モンサント化成株式会社筑波工場内 (56)参考文献特開昭54−56387（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−24986（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直接遷移型バンド構造を有するIII−Ｖ族
化合物単結晶層及び間接遷移型バント構造を有するIII
−Ｖ族化合物単結晶層を含むヘテロ構造を有するエピタ
キシャル・ウエハにおいて、上記間接遷移型バント構造
を有する単結晶層内であって、上記両単結晶層の界面か
ら0.2μｍ以上離れた位置にpn接合を設けたことを特徴
とするエピタキシャル・ウエハ。
【請求項２】直接遷移型バンド構造を有する単結晶層の
伝導型が、ｐ型である請求項第１項記載のエピタキシャ
ル・ウエハ。
【請求項３】III−Ｖ族化合物が、ひ化ガリウム・アル
ミニウムである請求項第１項又は第２項記載のエピタキ
シャル・ウエハ。