JP2003115606A

JP2003115606A - 半導体発光素子

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Publication number: JP2003115606A
Application number: JP2001309881A
Authority: JP
Inventors: Koji Otsuka; 康二大塚; Tetsuji Moku; 哲次杢; Takashi Egawa; 孝志江川; Hiroyasu Ishikawa; 博康石川; Takashi Jinbo; 孝志神保
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd; Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd; Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2003-04-18
Anticipated expiration: 2021-10-05
Also published as: JP4041906B2

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る基板１１の上
にｎ形不純物としてのＳｉを含むＡｌ_xＧａ_1-xＮから成
る第１の層１２ａとｎ形不純物としてのＳｉを含むＧａ
Ｎ又はＡｌ_yＧａ_1-yＮ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１
４、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】本発明は窒化ガリウム系化合
物半導体を用いた半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＧａＡｌＮ
（窒化ガリウムアルミニウム）、ＩｎＧａＮ（窒化イ
ンジウムガリウム）、ＩｎＧａＡｌＮ（窒化インジウ
ムガリウムアルミニウム）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、窒化ガリウム系化合物
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
有している基板と、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。）から成且つ不純物としてシリコンを含む第
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っているバッファ層と、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
化ガリウム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
半導体発光素子に係るものである。なお、前記半導体領
域の前記複数の窒化ガリウム系化合物半導体層のそれぞ
れは、例えば、ＧａＮ（窒化ガリウム）層、ＧａＡｌＮ
（窒化ガリウムアルミニウム）層、ＩｎＧａＮ（窒化
インジウムガリウム）層、又はＩｎＧａＡｌＮ（窒化
インジウムガリウムアルミニウム）層である。な
お、第2の層の材料を化学式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。）で示
すことができる。

【０００６】なお、請求項２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が望ましい。
また、請求項３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ガリウム系化合物から
成る第1の導電形の第1の半導体領域と、前記第1の半導
体領域上に配置された活性層と、前記活性層の上に配置
された窒化ガリウム系化合物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の半導体領域
とを備えていることが望ましい。また、請求項４に示す
ように、前記半導体領域は、前記バッファ層上に配置さ
れたＧａＩｎＮから成る活性層と、前記活性層に接触し
ている窒化ガリウム系化合物から成り且つｐ形不純物を
含んでいる第2の半導体領域とで構成することができ
る。また、請求項５に示すように、前記バッファ層は、
複数の第１の層と、複数の第2の層とを有し、前記第1の
層と前記第２の層とが交互に積層されていることが望ま
しい。

【０００７】

【発明の効果】各請求項の発明は次の効果を有する。（１）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させることがで
きる。（２）Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎから成る第１の層とＧａＮ又
はＡｌ_yＧａ_1-yＮから成る第２の層との複合層から成る
バッファ層は、この上に形成する窒化ガリウム系化合物
の結晶性及び平坦性の改善に寄与する。従って、安価な
基板を使用しているにも拘らず、良好な発光特性即ち発
光効率を有する発光素子を提供することができる。（３）バッファ層はＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎから成る第１の
層とＧａＮ又はＡｌ_yＧａ_1-yＮから成る第２の層との複
合層であるので、このバッファ層の熱膨張係数はシリコ
ン又はこの化合物から成る基板の熱膨張係数とＧａＮ系
化合物から成る半導体領域の熱膨張係数との中間の値を
有し、基板と半導体領域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。（４）第１及び第２の電極は互いに対向するように配
置されており、且つ第１の層に不純物としてシリコンが
含まれているので、電流経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。また、請求項
２の発明によれば、第２の層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。また、請求項
３の発明によれば、発光特性の良い素子を提供できる。
また、請求項４の発明によれば、バッファ層の上面にＧ
ａＩｎＮから成る活性層を直接形成した構造であるの
で、肉厚のＡｌＧａＮクラッド層を介在させて活性層を
形成する場合に比較して活性層に加わる引っ張り応力が
緩和される。このため、活性層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。また、請求
項５の発明によれば、シリコンとの格子定数の差が比較
的小さいＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎから成る第１の層が基板上に
配置され且つこれがＧａＮ又はＡｌ _yＧａ_1-yＮから成る
第２の層の相互間にも配置されるので、バッファ層の平
坦性が良くなり、半導体領域の結晶性も良くなる。

【０００８】

【第１の実施形態】次に、図１及び図２を参照しての第
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層から成る半導体領域１０と、主
面の結晶面方位が（111）の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の半導体領域としてのｎ
形半導体領域１３、ｐ形のＩｎＧａＮ（窒化インジウム
ガリウム）から成る発光層即ち活性層１４、及び第２
の半導体領域としてのＧａＮ（窒化ガリウム）から成る
ｐ形半導体領域１５とから成る。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１６の一方の主面（上面）即ちｐ形半導体領域
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１
８が配置されている。バッファ層１２、ｎ形半導体領域
１３、活性層１４、及びｐ形半導体領域１５は、基板１
１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、導電形決定不純物を含むシリ
コン単結晶から成る。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・
ｃｍ程度である。この実施形態の基板１１はＡｓ(砒素)
が導入されたｎ形シリコンから成る。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形半導体領域１
５、活性層１４及びｎ形半導体領域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。第１の層１２ａは、ｎ形導電形決定不純物としての
Ｓｉ（シリコン）を含み且つ化学式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
（窒化アルミニウムガリウム）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のＡｌＮは絶縁性を
有するが、実施形態ではｎ形導電形決定不純物としての
Ｓｉ（シリコン）が含まれているので、電気抵抗が比較
的小さい。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１２ｂ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。なお、この実施形態では電気抵抗が
小さくなるように第２の層１２ｂがＧａＮからなる。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１
２ａ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半導体領域１０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。第２
の層１２ｂの厚みは、好ましくは０．５ｎｍ〜３００ｎ
ｍ即ち５〜３０００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０．５ｎｍ即ち５オングストロ−ム未満の場合に
は、第２の層１２ｂの上に形成される一方の第１の層１
１ａ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即ち３０００オングストロ−ムを超えた
場合には、ｎ形半導体領域１３の平坦性が良好に保てな
くなる。なお、第２の層の厚みが１０nm以上であれば、
発光素子の動作時における第１及び第２の電極間の抵抗
及び電圧が比較的小さくなる。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。図１及び図２の実施形態では、第１の層１２ａの厚
みが５ｎｍ即ち５０オングストロ−ムであり、第２の層
１２ｂの厚みが３０ｎｍ即ち３００オングストロ−ムで
あり、バッファ層１２の全体の厚みが３５０ｎｍ即ち３
５００オングストロ−ムである。

【００１２】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。図１及び図２に示す１実施形態のバッファ層１２
は、周知のＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Va
por 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され
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ＴＭＡ
（トリメチルアルミニウム）ガスとＮＨ ₃ （アンモニ
ア）ガスとＳｉＨ₄ （シラン）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即ち約５０オ
ングストロームの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６
３μｍｏｌ／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。こ
こで、ＳｉＨ₄ガスは第１の層１２ａの中にｎ形不純物
としてのＳｉを導入するためのものである。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８５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即ち３００オングストロームのｎ形のＧ
ａＮから成る第２の層１２ｂを形成する。本実施例で
は、ＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量を約６３μｍｏ
ｌ／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。ここで、Ｓ
ｉＨ₄ガスは第２の層１２ｂの中に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、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ＡｌＮから成る第
１の層１２ａとＧａＮから成る第２の層１２ｂ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Ａ
ｌＮ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。

【００１３】次に、バッファ層１２の上面に周知のＭＯ
ＣＶＤ法によってｎ形半導体領域１３、活性層１４及び
ｐ形半導体領域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形半導体領域１３中にｎ形不純物としてのＳ
ｉ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４．３
μmol ／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Ｓ
ｉの供給量を約１．５ｎmol ／ｍｉｎとした。また、本
実施例では、ｎ形半導体領域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
半導体領域の厚みが約４．０〜５．０μｍであるから、
これに比べて図１の本実施例のｎ形半導体領域１３はか
なり肉薄に形成されている。また、ｎ形半導体領域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１２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。

【００１４】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形半導体領域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、
ＮＨ₃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、Ｇ
ｐ2 Ｍｇガスの流量即ちＭｇの供給量を約１２ｎmol ／
ｍｉｎ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。

【００１５】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形半導体領域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形半導体領域１５の厚み
は約０．２μｍとした。なお、ｐ形半導体領域１５の不
純物濃度は約３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【００１６】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形半導体領域
１３、活性層１４及びｐ形半導体領域１５の結晶方位を
揃えることができる。

【００１７】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形半導体領域１５の上面に付着
させることによって形成し、ｐ形半導体領域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。

【００１８】第２の電極としてのカソード電極１８は、
ｎ形半導体領域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。

【００１９】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。

【００２０】本実施例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第１の層１
２ａ及び第２の層１２ｂとの複合層から成るバッファ層
１２は、半導体領域１０の結晶性及び平坦性の改善に寄
与する。即ち、バッファ層１２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の主面に、ｎ形半導体領域１３、
活性層１４及びｐ形半導体領域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、もし、第１の層
１２ａのみでバッファ層１２を比較的厚く形成すると、
バッファ層の抵抗が大きくなる。また、もし、第１の層
１２ａのみでバッファ層１２を比較的薄く形成すると、
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から成る第
１の層１２ａとＧａＮから成る第２の層１２ｂとの複合
層からなるバッファ層１２が介在しているため、ＧａＮ
系半導体領域１０の平坦性が良くなる。この結果、Ｇａ
Ｎ系半導体領域１０の発光特性が良くなる。（４）アノード電極１７とカソード電極１８とが対向
配置され、且つ第１の層１２ａにシリコンがドーピング
されているので、アノード電極１７とカソ−ド電極１８
と間の抵抗値及び電圧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。（５）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。（６）基板１１とＧａＮ系半導体領域１０との熱膨張
係数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、本実施例の第１の層１
２ａと第２の層１２ｂとの複合層から成るバッファ層１
２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。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。（７）第２の層１２ｂの厚みが比較的厚い３０ｎｍで
あるので、基板１１のエネルギ−バンドと第２の層１２
ｂのエネルギ−バンドとの不連続性が改善され、動作時
におけるアノ−ド電極１９とカソ−ド電極１８との間の
抵抗値及び電圧が低くなる。（８）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形半導体領域１５及び活性層１４に相当する
ものの一部を除去してｎ形半導体領域１３の一部を露出
させ、この露出したｎ形半導体領域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形半導体領域の面積が
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。（９）シリコン基板１１の主面１１ａの結晶方位を
（１１１）ジャスト面としたので、半導体領域１０にお
けるステップが少なくなり、発光効率が高くなる。

【００２１】

【第２の実施形態】次に、図３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３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。

【００２２】図３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。

【００２３】

【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）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。（２）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。（３）ｎ形半導体領域１３、活性層１４及びｐ形半導
体領１５のそれぞれを、複数の半導体領域の組み合せで
構成することができる。また、ｎ形半導体領域１３を省
いてバッファ層１２の上にＧａＩｎＮから成る活性層１
４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。（４）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。（５）アノ−ド電極１７を透明電極とすることができ
る。（６）バッファ層１２の第２の層１２ｂの数を第１の
層１２ａよりも１層多くして基板１１と第１の層１２ａ
との間に第２の層１２ｂを配置することができる。（７）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。

【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】本発明の第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】

１０ＧａＮ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第１の層１２ｂ成る第２の層１３ｎ形半導体領域１４活性層１５ｐ形半導体領域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 (72)発明者杢哲次埼玉県新座市北野三丁目６番３号サンケン電気株式会社内 (72)発明者江川孝志愛知県名古屋市昭和区御器所町（番地なし）名古屋工業大学内 (72)発明者石川博康愛知県名古屋市昭和区御器所町（番地なし）名古屋工業大学内 (72)発明者神保孝志愛知県名古屋市昭和区御器所町（番地なし）名古屋工業大学内Ｆターム(参考） 5F041 AA24 CA40 CA46 CA57 CA65

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化ガリウム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ている基板と、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
成り且つ不純物としてシリコンを含む第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
から成っているバッファ層と、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
複数の窒化ガリウム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。
【請求項２】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記載の半導体発光素
子。
【請求項３】前記半導体領域は、前記バッファ層上に配置された窒化ガリウム系化合物か
ら成る第1の導電形の第1の半導体領域と、前記第1の半導体領域の上に配置された活性層と、前記活性層の上に配置された窒化ガリウム系化合物から
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の半導体領域とを備え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。
【請求項４】前記半導体領域は、前記バッファ層の上に接触しているＧａＩｎＮから成る
活性層と、前記活性層の上に配置された窒化ガリウム系化合物から
成り且つｐ形不純物を含んでいる第2の半導体領域とを
備え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。
【請求項５】前記バッファ層は、Ａｌ_xＧａ_1-xＮから
成り且つ不純物としてシリコンを含む複数の第１の層
と、ＧａＮ層又は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）とが交互に
積層されていることを特徴とする請求項１又は２又は３
又４は記載の半導体発光素子。