JP2003060230A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 消費電力及び動作電圧の低い半導体発光素子
の低コスト化が困難であった。 【解決手段】 低抵抗のシリコンから成り且つ一方の主
面１１ａの結晶面方位を（１１１）ジャスト面とした基
板１１の上にＡｌＮから成る第１の層１２ａとＧａＮか
ら成る第２の層１２ｂとを交互に複数積層した複合層構
造のバッファ層１２を設ける。バッファ層１２の上に窒
化ガリウムから成るｎ形半導体領域１３、窒化ガリウム
インジウムからなる活性層１４、窒化ガリウムから成る
ｐ形半導体領域１５を順次に形成する。ｐ形半導体領域
１５の上にアノード電極１７を設け、基板１１にカソー
ド電極１８を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒化物系化合物半導
体を用いた半導体発光素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＧａＮ
（窒化ガリウム アルミニウム）、ＩｎＧａＮ（窒化ガ
リウム インジウム）、ＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム
インジウム アルミニウム）等の窒化ガリウム系化合
物半導体を用いた例えば青色発光ダイオード等の半導体
発光素子は公知である。従来の典型的な発光素子は、サ
ファイアから成る絶縁性基板、この絶縁性基板の一方の
主面（上面）に形成された例えば日本の特開平４‐２９
７０２３号公報に開示されてＧａ_xＡｌ_1-xＮ（但し、ｘ
は０＜ｘ≦１の範囲の数値である。）から成るバッファ
層、このバッファ層の上にエピタキシャル成長によって
形成された窒化ガリウム系化合物半導体（例えばＧａ
Ｎ）から成るｎ形半導体領域、このｎ形半導体領域の上
にエピタキシャル成長法によって形成された窒化ガリウ
ム系化合物半導体（例えばＩｎＧａＮ）から成る活性
層、及びこの活性層の上にエピタキシャル成長法によっ
て形成されたｐ形半導体領域を備えている。カソ−ド電
極はｎ形半導体領域に接続され、アノ−ド電極はｐ形半
導体領域に接続されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、発光素子
は、周知のように多数の素子の作り込まれたウエハをダ
イシング、スクライビング、劈開 (cleavage)等によっ
て切り出して製作される。この時、サファイアから成る
絶縁性基板は硬度が高いため、このダイシングを良好に
且つ生産性良く行うことが困難であった。また、サファ
イアは高価であるため、発光素子のコストが高くなっ
た。また、サファイアから成る基板は絶縁体であるた
め、カソ−ド電極を基板に形成することができなかっ
た。このため、ｎ形半導体領域の一部を露出させ、ここ
にカソ−ド電極を接続することが必要になり、半導体基
体の面積即ちチップ面積が比較的大きくなり、その分発
光素子のコストが高くなった。また、サファイア基板を
使用した従来の発光素子では、ｎ形半導体領域の垂直方
向のみならず、水平方向即ちサファイア基板の主面に沿
う方向にも電流が流れる。このｎ形半導体領域の水平方
向の電流が流れる部分の厚みは４〜５μｍ程度と極めて
薄いため、ｎ形半導体領域の水平方向の電流通路の抵抗
はかなり大きなものとなり、消費電力及び動作電圧の増
大を招いた。更に、このｎ形半導体領域のカソ−ド電極
の接続部分を露出させるために活性層及びｐ形半導体領
域をエッチングによって削り取ることが必要になり、エ
ッチングの精度を考慮してｎ形半導体領域は予め若干肉
厚に形成しておく必要があった。このためｎ形半導体領
域のエピタキシャル成長の時間が長くなり、生産性が低
かった。また、サファイア基板の代りにシリコンカーバ
イド（ＳｉＣ）から成る導電性基板を用いた発光素子が
知られている。この発光素子においては、カソ−ド電極
を導電性基板の下面に形成できる。このため、サファイ
ア基板を使用した発光素子に比べて、ＳｉＣ基板を使用
した発光素子は、チップ面積の縮小が図られること、劈
開によりウエハの分離が簡単化する等の利点はある。し
かし、ＳｉＣはサファイアよりも一段と高価であるため
発光素子の低コスト化が困難である。また、ＳｉＣ基板
の上にｎ形半導体領域を低抵抗接触させることが困難で
あり、この発光素子の消費電力及び動作電圧がサファイ
ア基板を使用した発光素子と同様に比較的高くなった。

【０００４】そこで、本発明の目的は、生産性及び性能
の向上及びコストの低減を図ることができる半導体発光
素子及びその製造方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し、上記
目的を達成するための本発明は、窒化物系化合物半導体
を有する半導体発光素子であって、不純物を含むシリコ
ン又はシリコン化合物から成り且つ低い抵抗率を有し且
つ一方の主面がミラー指数で示す結晶の面方位いおいて
（１１１）ジャスト面又は（１１１）面から−４度から
＋４度の範囲で傾いている面である基板と、前記基板の
一方の主面上に配置され、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（但し、ｘは
０＜ｘ≦１を満足する数値である。）から成る第１の層
とＧａＮ又はＡｌ_yＧａ_1-yＮ（但し、ｙはｙ＜ｘ及び０
＜ｙ＜１を満足する数値である。）から成る第2の層と
の複合層から成るバッファ層と、発光機能を得るために
前記バッファ層の上に配置された複数の窒化物系化合物
層を含んでいる半導体領域と、前記半導体領域の表面上
の一部に配置された第１の電極と、前記基板の他方の主
面に配置された第２の電極とを備えていることを特徴と
する半導体発光素子に係るものである。なお、前記第2
の層を、化学式Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（但し、ｙはｙ＜ｘ及び
０≦ｙ＜１を満足する数値である。）で表すこともでき
る。この化学式において、ｙが０の場合に前記第2の層
はＧａＮになる。

【０００６】なお、請求項２に示すように、前記バッフ
ァ層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮから成る複数の第１の層と、Ｇ
ａＮ又はＡｌ_yＧａ_1-yＮから成る複数の第2の層とを有
し、前記第1の層と前記第２の層が交互に積層されてい
ることが望ましい。また、請求項３に示すように、前記
バッファ層における前記第1の層の厚みが、量子力学的
トンネル効果が生じるように設定され、前記第2の層の
厚みが１０ｎｍ〜３００ｎｍとされていることが望まし
い。また、請求項４に示すように、前記第２の層はｎ形
不純物としてシリコンを含むことことが望ましい。ま
た、請求項５に示すように、発光機能を得るための前記
半導体領域の前記複数の窒化物系化合物半導体層のそれ
ぞれは、ＧａＮ（窒化ガリウム）層、ＡｌＩｎＮ（窒化
インジウム アルミニウム）層、ＡｌＧａＮ（窒化ガリ
ウム アルミニウム）層、ＩｎＧａＮ（窒化ガリウム
インジウム）層、及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム
インジウム アルミニウム）層から選択されたものであ
ることが望ましい。即ち、例えば、後述の実施形態の半
導体層１３、活性層１４、及び半導体層１５等の窒化物
系化合物半導体層のそれぞれは、窒化ガリウム系化合物
半導体層又は窒化インジウム系化合物半導体層であるこ
とが望ましい。また、請求項６に示すように、前記半導
体領域は、前記バッファ層の上に配置された窒化物系化
合物半導体から成る第１の導電形の第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に配置された窒化物系化合物半
導体から成る活性層と、前記活性層の上に配置された窒
化物系化合物半導体から成り且つ前記第１の導電形と反
対の導電形を有している第２の半導体層とを備えている
ことが望ましい。また、請求項７に示すように、窒化物
系化合物半導体を有する半導体発光素子の製造方法にお
いて、不純物を含むシリコン又はシリコン化合物から成
り且つ低い抵抗率を有し且つ一方の主面がミラー指数で
示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面又は
（１１１）面から−４度から＋４度の範囲で傾いている
面である基板を用意する工程と、前記基板上に、気相成
長法によってＡｌ_xＧａ_1-xＮ（但し、ｘは、０＜ｘ≦１
を満足する数値である。）から成る第１の層とＧａＮ又
はＡｌ_yＧａ_1-yＮ(但しｙは、ｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を
満足する数値である。)から成る第２の層とを順次に形
成してバッファ層を得る工程と、前記バッファ層上に、
発光機能を得るための複数の窒化物系化合物層から成る
半導体領域を気相成長法で形成する工程と、前記半導体
領域の表面上の一部に第１の電極を形成し、前記基板の
他方の主面に第２の電極を形成する工程とを有している
ことが望ましい。

【０００７】

【発明の効果】各請求項の発明によれば次の効果が得ら
れる。 基板が比較的安価なシリコン又はシリコン化合物で
あるので、発光素子のコストを低減できる。 Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（但し、ｘは、０＜ｘ＜１を満足す
る数値である。）から成る第１の層の格子定数は、発光
機能を得るための窒化物系化合物半導体の格子定数より
もシリコンの格子定数に近い値を有する。従ってバッフ
ァ層に第1の層を含めると、バッファ機能が良くなり、
発光機能を有する窒化物系化合物半導体層の結晶性及び
平坦性を改善することができる。 バッファ層は第1の層の他に第2の層を有する。第1
及び第2の層の複合層からなるバッファ層は、良好なバ
ッファ機能を発揮し、シリコン又はシリコン化合物から
成る基板の結晶方位を良好に引き継いだ発光用半導体領
域の形成が可能になり、結晶性及び平坦性が良い発光用
半導体領域が得られる。要するに、本発明に従う第1の
層と第2の層との組み合せによって全体として電気的抵
抗が小さく且つ良好なバッファ機能を有するバッファ層
が得られ、この結果として、発光用半導体領域の平坦性
及び発光特性が改善される。もし、シリコン又はシリコ
ン化合物から成る基板の一方の主面に、ＧａＮ半導体層
のみから成るバッファ層を形成した場合、基板とＧａＮ
とは格子定数の差が大きい為、このバッファ層の上面に
平坦性に優れた窒化物系化合物半導体領域を形成するこ
とができない。 基板の主面の結晶面方位が（１１１）ジャスト面又
は（１１１）ジャスト面からのオフ角度が小さい面であ
るので、基板の上にバッファ層及び発光機能を有する半
導体領域を良好に形成することができ、発光効率を高め
ることができる。即ち、基板の主面の面方位を（１１
１）ジャスト面又は（１１１）ジャスト面からのオフ角
度が小さい面とすることによって、バッファ層及び発光
機能を有する半導体領域の結晶表面の原子ステップ即ち
原子レベルでのステップを無くすこと又は小さくするこ
とができる。もし、（１１１）ジャスト面からのオフ角
度の大きい主面上にバッファ層及び発光機能を有する半
導体領域を形成すると、これ等に原子レベルで見て比較
的大きいステップが生じる。エピタキシャル成長層が比
較的厚い場合には多少のステップはさほど問題にならな
いが、例えば活性層のような数ｎｍオ−ダの厚みの薄い
層を有する発光素子の場合には、発光素子を通電状態と
した時にステップの近傍に発光に寄与しない電流即ち無
効電流が流れ、発光効率が低下する。これに対して、基
板の主面を（１１１）ジャスト面又はオフ角度の小さい
面とすれば、ステップが小さくなり、無効電流も少なく
なり、発光効率が大きくなる。 バッファ層が導電性を有するので、第１及び第２の
電極は互いに対向するように配置されている。この結
果、第1及び第2の電極間の電流通路の抵抗値を下げて消
費電力及び動作電圧を小さくすることができる。 バッファ層の内の少なくとも第1の層はAlを含む。A
lを含む第1の層の熱膨張係数は基板の熱膨張係数とＧａ
Ｎ系化合物半導体から成る発光用半導体領域の熱膨張係
数との中間の値を有する。従って、バッファ層は基板と
発光用半導体領域との熱膨張係数の差に起因する歪の発
生を比較的良好に抑制する。請求項２の発明において
は、複数の第1の層と複数の第２の層とを交互に積層し
てバッファ層を構成するので、複数の薄い第1の層が分
散配置される。この結果、バッファ層の導電性を確保し
且つバッファ層全体として良好なバッファ機能を得るこ
とができ、バッファ層の上に形成される半導体領域の結
晶性が良くなる。請求項３の発明によれば、第２の層の
厚みが１０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲に制限されているの
で、バッファ層の抵抗値の増大を抑えて発光素子の消費
電力及び動作電圧を低くすることができる。即ち、も
し、第２の層の厚みが１０nmよりも薄い時には、第２の
層の価電子帯と伝導帯とに離散的なエネルギー準位が発
生し、第２の層においてキャリアの伝導に関与するエネ
ルギー準位が見かけ上増大する。この結果、基板と第２
の層との間のエネルギバンドの不連続性が比較的大きく
なり、発光素子の動作時の第１及び第２の電極間の抵抗
及び電圧が比較的大きくなる。これに対し、第２の層の
厚みが１０nm以上になると、第２の層の価電子帯と伝導
帯とにおける離散的なエネルギー準位の発生が抑制さ
れ、第２の層におけるキャリアの伝導に関与するエネル
ギー準位の増大が抑制される。この結果、基板と第２の
層との間のエネルギバンドの不連続性の悪化が抑制さ
れ、発光素子の動作時の第１及び第２の電極間の抵抗及
び電圧が小さくなる。請求項４の発明によれば、第２の
層をｎ形半導体領域にすることができるのみでなく、第
２の層が不純物を含むために抵抗が小さくなり、第１及
び第２の電極間の抵抗及び電圧を小さくすることがで
き、電力損失の少ない発光素子を提供することができ
る。請求項５の発明によれば、バッファ層上に発光機能
を有する半導体領域を良好に形成することができる。請
求項６の発明によれば、活性層が互いに反対導電形の２
つの半導体層で挟まれた構造を有するため、発光特性の
良好な半導体発光素子を提供できる。請求項７の発明に
よれば、特性の良い半導体発光素子を安価且つ容易に形
成することができる。

【０００８】

【第１の実施形態】次に、図１及び図２を参照して本発
明の第１の実施形態に係わる半導体発光素子としての窒
化ガリウム系化合物青色発光ダイオードを説明する。

【０００９】図１及び図２に示す本発明の第１の実施形
態に従う青色発光ダイオードは、発光機能を得るための
複数の窒化ガリウム系化合物半導体層から成る半導体領
域１０と、シリコン半導体から成るサブストレート即ち
基板１１と、バッファ層１２とを有している。発光機能
を有する半導体領域１０は、ＧａＮ（窒化ガリウム）か
ら成る第１の半導体層としてのｎ形半導体層１３、ｐ形
のＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム）から成る発
光層即ち活性層１４、及び第２の半導体層としてのＧａ
Ｎ（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体層１５とから成
る。従って、半導体領域１０の各層は窒化ガリウム系化
合物半導体から成る。基板１１とバッファ層１２と発光
機能を有する半導体領域１０との積層体から成る基体１
６の一方の主面（上面）即ちｐ形半導体層１５の表面上
に第１の電極としてのアノード電極１７が配置され、こ
の基体１６の他方の主面（下面）即ち基板１１の他方の
主面に第２の電極としてのカソード電極１８が配置され
ている。バッファ層１２、ｎ形半導体層１３、活性層１
４、及びｐ形半導体層１５は、基板１１の上に順次にそ
れぞれの結晶方位を揃えてエピタキシャル成長させたも
のである。

【００１０】基板１１は、導電形決定不純物としてＡｓ
(砒素)を含むｎ⁺形シリコン単結晶から成る。この基板
１１のバッファ層１２が配置されている側の主面１１ａ
は、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）
ジャスト面である。この基板１１の不純物濃度は、５×
１０¹⁸ｃｍ^-3〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3程度であり、この基板
１１の抵抗率は０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃ
ｍ程度である。抵抗率が比較的低い基板１１はアノ−ド
電極１７とカソード電極１８との間の電流通路として機
能する。また、基板１１は、比較的厚い約３５０μｍの
厚みを有し、ｐ形半導体層１５、活性層１４及びｎ形半
導体層１３から成る発光機能を有する半導体領域１０及
びバッファ層１２の支持体として機能する。

【００１１】基板１１の一方の主面全体を被覆するよう
に配置されたバッファ層１２は、複数の第１の層１２ａ
と複数の第２の層１２ｂとが交互に積層された複合層か
ら成る。図１及び図２では、図示の都合上、バッファ層
１２が２つの第１の層１２ａと２つの第２の層１２ｂと
で示されているが、実際には、バッファ層１２は、１０
個の第１の層１２ａと１０個の第２の層１２ｂとを有す
る。

【００１２】第１の層１２ａは、 化学式 Ａｌ_xＧａ_1-xＮ ここで、ｘは０＜ｘ≦１を満足する任意の数値、 で示すことができる材料で形成される。即ち、第１の層
１２ａは、ＡｌＮ(窒化アルミニウム)又はＡｌＧａＮ
（窒化ガリウム アルミニウム）で形成される。図１及
び図２の実施形態では、前記式のｘが１とされた材料に
相当するＡｌＮ（窒化アルミニウム）が第１の層１２ａ
に使用されている。第１の層１２ａは、絶縁性を有する
極薄い膜である。第１の層１２ａの格子定数及び熱膨張
係数は第２の層１２ｂよりもシリコン基板１１に近い。
従って、第１の層１１ａは第２の層１２ｂよりもバッフ
ァ作用が大きい。

【００１３】第２の層１２ｂは、ＧａＮ（窒化ガリウ
ム）又は 化学式Ａｌ_yＧａ_1-yＮ ここで、ｙは、ｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を満足する任意の
数値、で示すことができる材料から成るｎ形半導体の極
く薄い膜である。第２の層１２ｂとしてＡｌ_yＧａ_1-yＮ
から成るｎ形半導体を使用する場合には、第２の層１２
ｂの電気抵抗の増大を抑えるために、ｙを０＜ｙ＜０．
８を満足する値即ち０よりも大きく且つ０．８よりも小
さくすることが望ましい。第２の層１２ｂは第１の層１
２ａの電気的接続導電体又は半導体として機能する。

【００１４】バッファ層１２の第１の層１２ａの厚み
は、好ましくは0.5ｎｍ〜10ｎｍ即ち５〜１００オング
ストロ−ム、より好ましくは１ｎｍ〜８ｎｍである。第
１の層１２ａの厚みが0.5ｎｍ未満の場合にはバッファ
層１２の上面に形成されるｎ形半導体領域１３の平坦性
が良好に保てなくなる。第１の層１２ａの厚みが10ｎｍ
を超えると、量子力学的トンネル効果を良好に得ること
ができなくなり、バッファ層１２の電気的抵抗が増大す
る。

【００１５】第２の層１２ｂの厚みは、好ましくは１０
ｎｍ〜３００ｎｍ即ち１００〜３０００オングストロ−
ムであり、より好ましくは１０ｎｍ〜３００ｎｍであ
る。第２の層１２ｂの厚みが１０ｎｍ未満の場合には、
基板１１と第２の層１２ｂとの間のエネルギバンドの不
連続性が比較的大きくなり、発光素子の動作時のアノー
ド電極１７とカソード電極１８との間の抵抗及び電圧Ｖ
fが比較的大きくなる。また、第２の層１２ｂの厚みが
１０ｎｍ未満の場合には、第２の層１２ｂの上に形成さ
れる一方の第１の層１１ａと第２の層１２ｂの下に形成
される他方の第１の層１１ａとの間の電気的接続が良好
に達成されず、バッファ層１２の電気的抵抗が増大す
る。第２の層１２ｂの厚みが３００ｎｍを超えた場合に
は、バッファ層12全体に対する第１の層１１ａの割合が
低下し、バッファ機能が相対的に小さくなり、半導体領
域１０の平坦性が良好に保てなくなる。

【００１６】図４は第２の層１２ｂの厚みＴ2と発光素
子の発光動作時におけるアノード電極１７とカソード電
極１８との間の電圧Ｖfとの関係を示す。この図４から
明らかなように、上記厚みＴ2が１０ｎｍよりも小さい
時には電圧Ｖfが約４Ｖよりも高くなる。これに対し
て、厚みＴ2が１０ｎｍ又はこれよりも大きい時には、
電圧Ｖfが４Ｖよりも小さくなる。第２の層１２ｂの厚
みＴ2が１０ｎｍ未満の時には、第２の層１２ｂによる
第１の層１２ａの相互間の電気的接続機能が低下すると
共に、シリコン基板１１と第２の層１２ｂとのエネルギ
バンドの不連続性が大きくなる。即ち、第２の層１２ｂ
の厚みが１０ｎｍよりも薄い時には、第２の層１２ｂの
価電子帯と伝導帯とに離散的なエネルギー準位が発生
し、第２の層１２ｂにおいてキャリアの伝導に関与する
エネルギー準位が見かけ上増大する。即ち、第１の層１
２ａと第２の層１２ｂが超格子の状態になる。この結
果、基板１１と第２の層１２ｂとの間のエネルギバンド
の不連続性が比較的大きくなり、発光素子の動作時のア
ノード電極１７とカソード電極１８との間の抵抗及び電
圧Ｖfが比較的大きくなる。これに対し、第２の層１２
ｂの厚みが１０ｎｍ以上になると、第２の層１２ｂの価
電子帯と伝導帯とにおける離散的なエネルギー準位の発
生が抑制され、第２の層１２ｂにおけるキャリアの伝導
に関与するエネルギー準位の増大が抑制される。即ち、
第１の層１２ａと第２の層１２ｂが超格子の状態になる
ことが阻止される。この結果、基板１１と第２の層１２
ｂとの間のエネルギバンドの不連続性の悪化が抑制さ
れ、アノード電極１７とカソード電極１８との間の抵抗
及び電圧Ｖfが低くなる。従って、この実施例では、第
１の層１２ａの厚みＴ1が５ｎｍ、第２の層１２ｂの厚
みＴ2が３０ｎｍに設定されている。従って、バッファ
層１２全体の厚みは３５０ｎｍである。

【００１７】次に、第１の層１２ａがＡＩＮ、第２の層
がＧａＮとされた半導体発光素子の製造方法を説明す
る。

【００１８】まず、図３の（Ａ）に示すｎ形不純物が導
入されたｎ⁺形シリコン半導体から成る基板１１を用意
する。バッファ層１２を形成するためのシリコン基板１
１の一方の主面１１ａは、ミラー指数で示す結晶の面方
位において（１１１）ジャスト面、即ち正確な（１１
１）面である。しかし、図３において０で示す（１１
１）ジャスト面に対して−θ〜+θで示す範囲で基板１
１の主面１１ａを傾斜させることができる。−θ〜+θ
の範囲は−４°〜+４°であり、好ましくは−３°〜+３
°であり、より好ましくは−２°〜+２°である。

【００１９】図５は基板１１の主面１１ａの（１１１）
ジャスト面に対するオフ角度θと発光強度比との関係を
示す。ここでの発光強度比は、基板１１の主面１１ａが
（１１１）ジャスト面された発光素子を所定電流で駆動
した時の発光強度即ち発生光量Ｑ1と基板１１の主面１
１ａが（１１１）面を基準にして（１１２）面方向に角
度θだけ傾いた面にされた発光素子を所定電流で駆動し
た時の発光強度即ち発生光量Ｑ2との比Ｑ2／Ｑ1を示
す。この図５から明らかなように（１１１）面からのオ
フ角度θが−４°〜+４°の範囲で発光強度比Ｑ2／Ｑ1
が約０．０５以上となり、−３°〜+３°の範囲で発光
強度比Ｑ2／Ｑ1が約０．５以上となり、−２°〜+２°
の範囲で発光強度比Ｑ2／Ｑ1が０．８以上になる。ここ
で、発光強度比が大きいことは、発光素子の発光効率が
大きいことを意味する。シリコン基板１１の主面１１ａ
の結晶方位を、（１１１）ジャスト面又は（１１１）ジ
ャスト面からのオフ角度が小さい面とすることによっ
て、バッファ層１２及び発光機能を有する半導体領域１
０をエピタキシャル成長させる際の原子レベルでのステ
ップを無くすこと又は小さくすることができる。もし、
主面１１ａの結晶方位が（１１１）ジャスト面からのオ
フ角度が大きくなるように設定されている場合には、シ
リコン基板１１の主面１１ａ上にバッファ層１２及び発
光機能を有する半導体領域１０をエピタキシャル成長で
形成する時に、原子レベルで見て比較的大きいステップ
が生じる。エピタキシャル成長層が比較的厚い場合には
多少のステップはさほど問題にならないが、活性層１４
のように例えば２ｎｍのように薄い場合には、発光素子
を通電状態とした時にステップの近傍に発光に寄与しな
い電流即ち無効電流が流れ、発光効率が低下する。これ
に対して、シリコン基板１１の主面１１ａを（１１１）
ジャスト面又はオフ角度の小さい面とすれば、ステップ
が無くなるか又は小さくなり、無効電流も少なくなり、
発光効率が大きくなる。

【００２０】次に、図３（Ｂ）に示すように基板１１の
主面１１ａ上にバッファ層１２を形成する。このバッフ
ァ層１２は、周知のＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chem
icalVapor Deposition）即ち有機金属化学気相成長法
によってＡｌＮから成る第１の層１２ａとＧａＮから成
る第２の層１２ｂとを繰返して積層することによって形
成する。即ち、シリコン単結晶の基板１１をＭＯＣＶＤ
装置の反応室内に配置し、まず、サーマルアニーリング
を施して表面の酸化膜を除去する。次に、反応室内にＴ
ＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスとＮＨ₃ （アンモ
ニア）ガスを約２４秒間供給して、基板１１の一方の主
面に厚さ約５ｎｍのＡｌＮ層から成る第１の層１２ａを
形成する。本実施例では基板１１の加熱温度を１１２０
℃とした後に、ＴＭＡガスの流量即ちＡｌの供給量を約
６３μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ₃ ガスの流量即ちＮＨ₃ の
供給量を約０．１４ｍｏｌ／ｍｉｎとした。続いて、基
板１１の加熱温度を１１２０℃とし、ＴＭＡガスの供給
を止めてから反応室内にＴＭＧ（トリメチルガリウム）
ガスとＮＨ₃ （アンモニア）ガスとＳｉＨ₄ （シラン）
ガスを約８３秒間供給して、基板１１の一方の主面に形
成された上記ＡｌＮから成る第１の層１２ａの上面に、
厚さ約３０ｎｍのｎ形のＧａＮから成る第２の層１２ｂ
を形成する。ここで、ＳｉＨ₄ガスは形成膜中にｎ形不
純物としてのＳｉを導入するためのものである。本実施
例では、ＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量を約６３μ
ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ₃ ガスの流量即ちＮＨ₃ の供給量
を約０．１４ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ₄ ガスの流量即ち
Ｓｉの供給量を約２１ｎｍｏｌ／ｍｉｎとした。本実施
例では、上述のＡｌＮから成る第１の層１２ａとＧａＮ
から成る第２の層１２ｂの形成を１０回繰り返してＡｌ
Ｎから成る第１の層１２ａとＧａＮから成る第２の層１
２ｂとが交互に２０層積層されたバッファ層１２を形成
する。勿論ＡｌＮから成る第１の層１２ａ、ＧａＮから
成る第２の層１２ｂをそれぞれ５０層等の任意の数に変
えることもできる。

【００２１】次に、バッファ層１２の上面に周知のＭＯ
ＣＶＤ法によってｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ
形半導体層１５を順次連続して形成する。即ち、上面に
バッファ層１２が形成された基板１１をＭＯＣＶＤ装置
の反応室内に配置して、反応室内にまずトリメチルガリ
ウムガス即ちＴＭＧガス、ＮＨ₃（アンモニア）ガス、
ＳｉＨ₄ （シラン）ガスを供給してバッファ層１２の上
面にｎ形半導体領域１３を形成する。ここで、シランガ
スはｎ形半導体層１３中にｎ形不純物としてのＳｉを導
入するためのものである。本実施例ではバッファ層１２
が形成された基板１１の加熱温度を１０４０℃とした
後、ＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量を約４．３μmo
l ／ｍｉｎ、ＮＨ₃ ガスの流量即ちＮＨ₃ の供給量を約
５３．６ｍmol ／ｍｉｎ、シランガスの流量即ちＳｉの
供給量を約１．５ｎmol ／ｍｉｎとした。また、本実施
例では、ｎ形半導体層１３の厚みを約０．２μｍとし
た。従来の一般的発光ダイオードの場合には、ｎ形半導
体層の厚みが約４．０〜５．０μｍであるから、これに
比べて図１の本実施例のｎ形半導体層１３はかなり肉薄
に形成されている。また、ｎ形半導体層１３の不純物濃
度は約３×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、基板１１の不純物濃度
よりは十分に低い。尚、本実施例によればバッファ層１
２が介在しているので、１０４０℃のような比較的高い
温度でｎ形半導体層１３を形成することが可能になる。

【００２２】続いて、基板１１の加熱温度を８００℃と
し、反応室内にＴＭＧガス、アンモニアガスに加えてト
リメチルインジウムガス（以下、ＴＭＩガスという）と
ビスシクロペンタジェニルマグネシウムガス（以下、Ｃ
ｐ₂ Ｍｇガスという。）を供給してｎ形半導体層１３の
上面にｐ形ＩｎＧａＮ（窒化インジウム ガリウム）か
ら成る活性層１４を形成する。ここで、Ｃｐ₂ Ｍｇガス
は活性層１４中にｐ形導電形の不純物としてのＭｇ（マ
グネシウム）を導入するためのものである。本実施例で
は、ＴＭＧガスの流量を約１．１μmol ／ｍｉｎ、ＮＨ
₃ガスの流量を約６７ｍmol ／ｍｉｎ、ＴＭＩガスの流
量即ちＩｎの供給量を約４．５μmol ／ｍｉｎ、Ｇｐ2
Ｍｇガスの流量即ちＭｇの供給量を約１２ｎmol ／ｍｉ
ｎとした。また、活性層１４の厚みは約２ｎｍ即ち２０
オングストロ−ムとした。なお、活性層１４の不純物濃
度は約３×１０¹⁷ｃｍ^-3である。

【００２３】続いて、基板１１の加熱温度を１０４０℃
とし、反応室内にＴＭＧガス、アンモニアガス及びＣｐ
₂ Ｍｇガスを供給して活性層１４の上面にｐ形ＧａＮ
（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体層１５を形成す
る。本実施例では、この時のＴＭＧガスの流量を約４．
３μmol ／ｍｉｎ、アンモニアガスの流量を約５３．６
μmol ／ｍｉｎ、Ｃｐ₂ Ｍｇガスの流量を約０．１２μ
mol ／ｍｉｎとした。また、ｐ形半導体層１５の厚みは
約０．２μｍとした。なお、ｐ形半導体層１５の不純物
濃度は約３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【００２４】上記のＭＯＣＶＤ成長方法によれば、シリ
コン単結晶から成る基板１１の結晶方位を良好に引き継
いでいるバッファ層１２を形成することができる。ま
た、バッファ層１２の結晶方位に対してｎ形半導体層１
３、活性層１４及びｐ形半導体層１５の結晶方位を揃え
ることができる。

【００２５】第１の電極としてのアノード電極１７は、
例えばニッケルと金を周知の真空蒸着法等によって半導
体基体１６の上面即ちｐ形半導体層１５の上面に付着さ
せることによって形成し、ｐ形半導体層１５の表面に低
抵抗接触させる。このアノード電極１７は図２に示すよ
うに円形の平面形状を有しており、半導体基体１６の上
面のほぼ中央に配置されている。半導体基体１６の上面
のうち、アノード電極１７の形成されていない領域１９
は、光取り出し領域として機能する。

【００２６】第２の電極としてのカソード電極１８は、
ｎ形半導体層１３に形成せずに、例えばチタンとアルミ
ニウムを周知の真空蒸着法等によって基板１１の下面全
体に形成する。

【００２７】図１の青色発光ダイオードを外部装置に取
付ける時には、例えばカソード電極１８を回路基板等の
外部電極に対して半田又は導電性接着剤で固着し、アノ
ード電極１７を周知のワイヤボンディング方法によって
外部電極に対してワイヤで電気的に接続する。

【００２８】本実施形態の青色発光ダイオードによれ
ば、次の効果が得られる。 （１） サファイアに比べて著しく低コストであり且つ
加工性も良いシリコンから成る基板１１を使用すること
ができるので、材料コスト及び生産コストの削減が可能
である。このため、ＧａＮ系発光ダイオードのコスト低
減が可能である。 （２） 基板１１の一方の主面に形成された格子定数が
シリコンとＧａＮとの間の値を有するＡｌＮから成る第
１の層１２ａは、シリコンから成る基板１１の結晶方位
を良好に引き継ぐことができる。この結果、バッファ層
１２の一方の主面に、ｎ形半導体層１３、活性層１４及
びｐ形半導体層１５からなるＧａＮ系半導体領域１０を
結晶方位を揃えて良好に形成することができる。このた
め、ＧａＮ系半導体領域１０の特性が良くなり、発光特
性も良くなる。 （３） 第１の層１２ａと第２の層１２ｂが複数積層さ
れて成るバッファ層１２を介して半導体領域１０を形成
すると、半導体領域１０の平坦性が良くなる。即ち、シ
リコンから成る基板１１の一方の主面に、もしＧａＮ半
導体層のみによって構成されたバッファ層を形成した場
合、シリコンとＧａＮとは格子定数の差が大きいため、
このバッファ層の上面に平坦性に優れたＧａＮ系半導体
領域を形成することはできない。また、比較的厚いAlN
のみでバッファ層を形成すると、バッファ層の抵抗が大
きくなる。また、比較的薄いAlNのみでバッファ層を形
成すると、十分なバッファ機能が得られない。これに対
し、本実施例では、基板１１とＧａＮ系半導体領域１０
との間にシリコンとの格子定数差が比較的小さいＡｌＮ
から成る複数の第１の層１２ａが介在し、且つ第1の層
１２ａの相互間に第２の層１２ｂが介在した複合構造の
バッファ層１２が設けられている。このため、バッファ
層12の上に平坦性及び結晶性の良いＧａＮ系半導体領域
１０を形成することができる。この結果、ＧａＮ系半導
体領域１０の発光特性が良くなる。 （４） バッファ層１２に含まれている複数の第１の層
１２ａのそれぞれが量子力学的なトンネル効果の生じる
厚さに設定されているので、バッファ層１２の抵抗の増
大を抑えることができる。 （５） 基板１１とＧａＮ系半導体領域１０との熱膨張
係数の差に起因する歪みの発生を抑制できる。即ち、シ
リコンの熱膨張係数とＧａＮの熱膨張係数とは大きく相
違するため、両者を直接に積層すると熱膨張係数差に起
因する歪みが発生し易い。しかし、本実施例のＡｌＮか
らなる第１の層１２ａの熱膨張係数は基板１１の熱膨張
係数とＧａＮ系半導体領域１０の熱膨張係数との中間値
を有する。また。第１の層１２ａと第２の層１２ｂとの
複合層から成るバッファ層１２の平均的な熱膨張係数は
基板１１の熱膨張係数とＧａＮ系半導体領域１０の熱膨
張係数との中間値を有する。このため、このバッファ層
１２によって基板１１とＧａＮ半導体領域１０との熱膨
張係数の差に起因する歪みの発生を抑制することができ
る。 （６） シリコン基板１１の主面１１ａの結晶面方位を
（１１１）ジャスト面としたので、半導体領域１０のス
テップが抑制され、発光効率を高めることができる。 （７） 第２の層１２ｂの厚みが１０ｎｍ以上の３０ｎ
ｍに設定されているので、第２の層１２ｂの価電子帯と
伝導帯とにおける離散的なエネルギー準位の発生が抑制
され、第２の層１２ｂにおけるキャリアの伝導に関与す
るエネルギー準位の増大が抑制される。即ち、第１の層
１２ａと第２の層１２ｂが超格子状態になることが阻止
される。この結果、基板１１と第２の層１２ｂとの間の
エネルギバンドの不連続性の悪化が抑制され、アノード
電極１７とカソード電極１８との間の抵抗及び電圧Ｖf
が低くなる。 （８） バッファ層12が導電性を有するので、対向配置
されているアノード電極１７とカソード電極１８との間
に、順方向電圧を印加すると、半導体基体１６の厚み方
向（縦方向）に順方向電流が流れる。このため、アノー
ド電極１７とカソ−ド電極１８と間の抵抗値及び電圧Vf
を下げることができ、発光ダイオ−ドの消費電力を小さ
くすることが可能になる。 （９） 従来のサファイア基板を使用した発光素子に比
べてカソ−ド電極１８の形成が容易になる。即ち、従来
のサファイア基板を使用した発光素子の場合は、図１及
び図２のｐ形半導体層１５及び活性層１４に相当するも
のの一部を除去してｎ形半導体層１３の一部を露出さ
せ、この露出したｎ形半導体層１３にカソ−ド電極を接
続することが必要になった。このため、従来の発光素子
は、カソ−ド電極が形成しにくいという欠点、及びカソ
−ド電極を形成するためにｎ形半導体層の面積が大きく
なるという欠点があった。図１及び図２の発光素子は上
記欠点を有さない。

【００２９】

【第２の実施形態】次に、図６を参照して第２の実施形
態の半導体装置を説明する。但し、図６において図１と
実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を
省略する。

【００３０】図６の半導体装置は、図１に示した発光ダ
イオ−ドのシリコン基板１１に別の半導体素子としての
トランジスタ２０を設けたものである。トランジスタ２
０は素子分離用のＰ形半導体領域２１の中に形成された
コレクタ領域Ｃとベ−ス領域Ｂとエミッタ領域Ｅとから
成る。このように、発光ダイオ−ドとトランジスタとを
複合化すると、これ等を含む回路装置の小型化及び低コ
スト化を図ることができる。

【００３１】

【変形例】本発明は上述の実施形態に限定されるもので
なく、例えば次の変形が可能なものである。 （１） 半導体基体１６の各層の導電形を実施例と逆に
することができる。 （２） ｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ形半導層
１５のそれぞれを、複数の半導体層の組み合せで構成す
ることができる。 （３）ｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ形半導層１
５のそれぞれの材料を、ＧａＮ（窒化ガリウム）、Ａｌ
ＩｎＮ（窒化インジウム アルミニウム）、ＡｌＧａＮ
（窒化ガリウム アルミニウム）、ＩｎＧａＮ（窒化ガ
リウム インジウム）、及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリ
ウム インジウム アルミニウム）から選択された窒化
ガリウム系化合物半導体又は窒化インジウム系化合物半
導体とすることができる。 （４）ｎ形半導体層１３を省いてバッファ層１２の上に
ＧａＩｎＮから成る活性層１４を直接に接触させること
ができる。これにより、肉厚のＡｌＧａＮクラッド層を
介在させて活性層１４を形成する場合に比較して活性層
１４に加わる引っ張り応力が緩和される。このため、活
性層１４の結晶性が良好となり、発光素子の発光特性が
更に良好に得られる。 （５） アノ−ド電極１７の下にオ−ミックコンタクト
のためのＰ⁺形半導体領域を設けることができる。 （６） アノ−ド電極１７を透明電極とすることができ
る。 （７） バッファ層１２の第１の層１２ａの数を第２の
層１２ｂよりも１層多くしてバッファ層12の最上層を第
1の層１２ａとすることができる。また、逆に第2の層１
２ｂの数を第1の層１２ａの数よりも1層多くすることも
できる。 （８） 第１の層１２ａ及び第２の層１２ｂは、これら
の機能を阻害しない範囲で不純物を含むものであっても
よい。 （９） 基板１１を、単結晶シリコン以外の多結晶シリ
コン又はＳｉＣ等のシリコン化合物とすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に従うの発光ダイオー
ドを示す中央縦断面図である。

【図２】図１の発光ダイオードの斜視図である。

【図３】図１の発光ダイオ−ドの構造を製造工程順に拡
大して示す断面図である。

【図４】第２の層の厚みと順方向電圧との関係を示す図
である。

【図５】シリコン基板の主面の（１１１）ジャスト面に
対するオフ角度と発光強化比との関係を示す図である。

【図６】第２の実施形態の半導体装置を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１０ ＧａＮ系半導体領域 １１ シリコン単結晶から成る基板 １２ バッファ層 １２ａ ＡｌＮから成る第１の層 １２ｂ ＧａＮから成る第２の層 １３ ｎ形半導体層 １４ 活性層 １５ ｐ形半導体層 １６ 基体 １８ アノード電極 １９ カソード電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F041 CA04 CA23 CA33 CA34 CA40 CA57 CA65 CA73 CA82 CA92 CB33

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化物系化合物半導体を有する半導体発
   光素子であって、 不純物を含むシリコン又はリコン化合物から成り且つ低
   い抵抗率を有し且つ一方の主面がミラー指数で示す結晶
   の面方位において（１１１）ジャスト面又は（１１１）
   面から−４度から＋４度の範囲で傾いている面である基
   板と、 前記基板の一方の主面上に配置され、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ
   （但し、ｘは０＜ｘ≦１を満足する数値である。）から
   成る第１の層とＧａＮ又はＡｌ_yＧａ_1-yＮ（但し、ｙは
   ｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を満足する数値である。）から成
   る第2の層との複合層から成るバッファ層と、 発光機能を得るために前記バッファ層の上に配置された
   複数の窒化物系化合物層を含んでいる半導体領域と、 前記半導体領域の表面上の一部に配置された第１の電極
   と、 前記基板の他方の主面に配置された第２の電極とを備え
   ていることを特徴とする半導体発光素子。
2. 【請求項２】 前記バッファ層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮから
   成る複数の第１の層と、ＧａＮ又はＡｌ_yＧａ_1-yＮから
   成る複数の第2の層とを有し、前記第1の層と前記第２の
   層が交互に積層されていることを特徴とする請求項１記
   載の半導体発光素子。
3. 【請求項３】 前記バッファ層における前記第1の層の
   厚みが、量子力学的トンネル効果が生じるように設定さ
   れ、前記第2の層の厚みが１０ｎｍ〜３００ｎｍとされ
   ていることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体発
   光素子。
4. 【請求項４】 前記第２の層はｎ形不純物としてシリコ
   ンを含むことを特徴とする請求項１又は２又は３記載の
   半導体発光素子。
5. 【請求項５】 前記半導体領域の前記複数の窒化物系化
   合物半導体層のそれぞれは、ＧａＮ（窒化ガリウム）
   層、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム アルミニウム）層、
   ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）層、ＩｎＧ
   ａＮ（窒化ガリウム インジウム）層、及びＡｌＩｎＧ
   ａＮ（窒化ガリウム インジウム アルミニウム）層
   から選択されたものであることを特徴とする請求項１又
   は２又は３又は４記載の半導体発光素子。
6. 【請求項６】 前記半導体領域は、 前記バッファ層の上に配置された窒化物系化合物半導体
   から成る第１の導電形の第１の半導体層と、 前記第１の半導体層の上に配置された窒化物系化合物半
   導体から成る活性層と、 前記活性層の上に配置された窒化物系化合物半導体から
   成り且つ前記第１の導電形と反対の第2の導電形を有し
   ている第２の半導体層とを備えていることを特徴とする
   請求項１又は２又は３又は４又は５記載の半導体発光素
   子。
7. 【請求項７】 窒化物系化合物半導体を有する半導体発
   光素子の製造方法であって、 不純物を含むシリコン又はシリコン化合物からなり且つ
   低い抵抗率を有し且つ一方の主面がミラー指数で示す結
   晶の面方位の結晶方位において（１１１）ジャスト面又
   は（１１１）面から−４度から＋４度の範囲で傾いてい
   る面である基板を用意する工程と、 前記基板の一方の主面上に、気相成長法によってＡｌ_x
   Ｇａ_1-xＮ（但し、ｘは、０＜ｘ≦１を満足する数値で
   ある。）から成る第１の層とＧａＮ又はＡｌ_yＧａ_1-yＮ
   (但しｙは、ｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を満足する数値であ
   る。)から成る第２の層とを順次に形成してバッファ層
   を得る工程と、 前記バッファ層上に、発光機能を得るための複数の窒化
   物系化合物層から成る半導体領域を気相成長法で形成す
   る工程と、 前記半導体領域の表面上の一部に第１の電極を形成し、
   前記基板の他方の主面に第２の電極を形成する工程とを
   有していることを特徴とする半導体発光素子の製造方
   法。