JP2003229599A

JP2003229599A - リン化硼素系半導体素子、その製造方法、発光ダイオードおよびリン化硼素系半導体層

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Publication number: JP2003229599A
Application number: JP2002026271A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamashita; 任山下; Takashi Udagawa; 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 2002-02-04
Filing date: 2002-02-04
Publication date: 2003-08-15
Anticipated expiration: 2022-02-04
Also published as: JP4100493B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、特定の結晶方向を双晶面とする双晶
を安定して含む多結晶のリン化硼素系半導体層を備える
ことにより、特性の向上したリン化硼素系半導体素子を
提供する。【解決手段】基板を、表面を｛１１１｝結晶面とする
｛１１１｝−Ｓｉ単結晶とし、その上に積層するリン化
硼素系半導体層を、｛１１１｝結晶面からなる底面を有
し、且つ｛１１１｝結晶面と等価な面で囲まれた、複数
の四角錘状のリン化硼素系半導体結晶の単結晶体を集合
させた多結晶層から構成するものとし、さらに単結晶体
は基板の＜１１０＞結晶方向に対して６０度の角度で傾
いた双晶境界面を有するものとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、珪素（Ｓｉ）単結
晶（シリコン）基板上に形成した、リン化硼素系半導体
素子を得るに好適となるリン化硼素系半導体層の結晶構
成と、それを具備したリン化硼素系半導体素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来にあって、硼素（Ｂ）とリン（Ｐ）
とを構成元素として含むリン化硼素系半導体の一種であ
るリン化硼素（ＢＰ）を利用して発光ダイオード（ＬＥ
Ｄ）或いはレーザダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素
子を形成する技術が知れている（米国特許第６、０６
９、０２１号参照）。従来のリン化硼素系半導体発光素
子は、例えば、珪素単結晶（シリコン）からなる基板上
に形成されたリン化硼素層を緩衝層として含む積層構造
体を用いて構成されている（上記の米国特許第６、０６
９、０２１号参照）。最近では、ワイドバンドギャップ
のリン化硼素層を障壁（クラッド）層とするｐｎ接合型
二重ヘテロ構造を発光部を備えた半導体発光素子用途の
積層構造体も発明されている（特願２００１−１５８２
８２号参照）。

【０００３】従来より、シリコン基板上には、基板表面
をなす結晶面と同一の結晶面からなるリン化硼素の単結
晶層が成長することが判明している。例えば表面を｛１
００｝結晶面とする｛１００｝−Ｓｉ単結晶基板上に
は、基板表面に平行に積重した｛１００｝結晶面からな
るリン化硼素単結晶層が成長するのが知れている（庄野
克房著、「半導体技術（上）」（１９９２年６月２５
日、（財）東京大学出版会発行第９刷、７７頁参照）。
また、シリコン基板上には、双晶（ｔｗｉｎｎｉｎｇ）
を全く含まないリン化硼素単結晶層が成長できることも
知れている（上記の「半導体技術（上）」、９８頁参
照）。一方では双晶を含む｛１００｝-リン化硼素単結
晶層も得られるのが知れている（上記の「半導体技術
（上）」、９９〜１００頁参照）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来技術が開示すると
ころでは、リン化硼素層に含まれる双晶は、結晶格子間
の不整合率を緩和する様な特徴をもっているとされる
（上記の「半導体技術（上）」、１００頁参照）。従っ
て、双晶を含むリン化硼素系半導体層を利用すれば特
性、例えば、発光強度に優れるＬＥＤを得るに貢献でき
る。しかし、従来技術が開示する如く、双晶を含むリン
化硼素系半導体層を安定して得るのは困難となってい
る。即ち、従来は双晶を安定して含むリン化硼素系半導
体層を製造するための要件が明かとなってはいないた
め、例えば、発光の強度に優れる発光素子を安定して獲
得するに支障を来している。

【０００５】本発明は、双晶を安定して含ませることが
できる結晶構成からなるリン化硼素系半導体層を提供す
ることを目的とする。また、本発明では、特定の結晶方
向を双晶面とする双晶を安定して含む多結晶のリン化硼
素系半導体層を備えることにより、特性の向上したリン
化硼素系半導体素子を提供する。ここで本発明の目的と
する結晶構造からなるリン化硼素系半導体層とは、従来
の膜状の単結晶からなるのではなく、双晶境界面（双晶
面）（Ｃ．Ｗ．バン著、「化学結晶学」（昭和４５年６
月１５日、（株）培風館発行初版、７５〜７６頁参照）
の結晶方向を相違する単結晶体を集合させてなる多結晶
からなるリン化硼素系半導体層である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、（１）
珪素（Ｓｉ）単結晶からなる基板と、該基板の表面上に
形成された、基板の表面を構成する結晶面と同一の結晶
面を有するリン化硼素系半導体結晶からなるリン化硼素
系半導体層とを備えたリン化硼素系半導体素子に於い
て、前記の基板が、表面を｛１１１｝結晶面とする｛１
１１｝−Ｓｉ単結晶からなり、前記のリン化硼素系半導
体層は、基板の｛１１１｝結晶面に平行に配列したリン
化硼素系半導体結晶の｛１１１｝結晶面からなる底面を
有し、且つ｛１１１｝結晶面と等価な面で囲まれた、複
数の四角錘状のリン化硼素系半導体結晶の単結晶体を集
合させた多結晶層から構成され、さらに該単結晶体が、
基板の＜１１０＞結晶方向に対して６０度の角度で傾い
た双晶境界面を有することを特徴とするリン化硼素系半
導体素子。である。

【０００７】また本発明は、（２）前記リン化硼素系半
導体層の上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が積層されて
形成された異種（ヘテロ）接合を有し、該ＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体層が、リン化硼素系半導体層をなす単結晶
体の表面に交差する結晶面の面間隔（格子間隔）に一致
する間隔で配列した結晶面から構成されることを特徴と
する上記（１）に記載のリン化硼素系半導体素子。
（３）前記リン化硼素系半導体結晶の単結晶体が、単量
体のリン化硼素（ｂｏｒｏｎｍｏｎｏｐｈｏｓｐｈｉ
ｄｅ）結晶からなることを特徴とする上記（１）または
（２）に記載のリン化硼素系半導体素子。

【０００８】また本発明は、（４）前記リン化硼素系半
導体層を、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板上に９５０℃以
上１１００℃以下の温度に於いて、有機金属熱分解気相
成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、成長速度を毎分２０ｎ
ｍ以上６０ｎｍ以下として形成することを特徴とする上
記（１）ないし（３）に記載のリン化硼素系半導体素子
の製造方法。（５）前記リン化硼素系半導体層を、｛１
１１｝−Ｓｉ単結晶基板上に１０２５℃以上１０７５℃
以下の温度に於いて、有機金属熱分解気相成長法（ＭＯ
ＣＶＤ法）により、成長速度を毎分３０ｎｍ以上４０ｎ
ｍ以下として形成することを特徴とする上記（４）に記
載のリン化硼素系半導体素子の製造方法。である。

【０００９】また本発明は、（６）上記（１）ないし
（３）に記載のリン化硼素系半導体素子からなる発光ダ
イオード。である。

【００１０】また本発明は、（７）珪素（Ｓｉ）単結晶
からなる基板の表面上に形成された、基板の表面を構成
する結晶面と同一の結晶面を有するリン化硼素系半導体
結晶からなるリン化硼素系半導体層に於いて、前記の基
板が、表面を｛１１１｝結晶面とする｛１１１｝−Ｓｉ
単結晶からなり、前記のリン化硼素系半導体層は、基板
の｛１１１｝結晶面に平行に配列したリン化硼素系半導
体結晶の｛１１１｝結晶面からなる底面を有し、且つ
｛１１１｝結晶面と等価な面で囲まれた、複数の四角錘
状のリン化硼素系半導体結晶の単結晶体を集合させた多
結晶層から構成され、さらに該単結晶体が、基板の＜１
１０＞結晶方向に対して６０度の角度で傾いた双晶境界
面を有することを特徴とするリン化硼素系半導体層。で
ある。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明では、リン化硼素系半導体
層は｛１１１｝結晶面を表面とするＳｉ単結晶基板（本
明細書では、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板と記載す
る。）上に好適に形成できる。ダイヤモンド（ｄｉａｍ
ｏｎｄ）結晶構造型のＳｉ単結晶の｛１１１｝結晶面に
は、｛１００｝或いは｛１１０｝結晶面よりも密に珪素
原子が存在している。従って、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶
基板では、その上に堆積するリン化硼素系半導体層の構
成元素の基板内部への拡散、浸透を抑制できる利点があ
り、明瞭な接合界面を構成するに効果を奏する。導電性
を有する｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板ではまた、裏面に
正負、何れかの極性のオーミック（Ｏｈｍｉｃ）性電極
を裏面電極して敷設でき、例えば、発光素子を簡便に構
成するに効果を上げられる。特に、抵抗率を１ミリオー
ム（ｍΩ）以下、より望ましくは０．１ｍΩ以下とする
低い比抵抗（抵抗率）の導電性単結晶基板は、順方向電
圧（所謂、Ｖｆ）の低いＬＥＤをもたらすに貢献する。
また、放熱性に優れるため安定した発振をもたらすＬＤ
を構成するに有効となる。

【００１２】好ましくは｛１１１｝−Ｓｉ基板表面上に
積層する多結晶層のリン化硼素系半導体層は、硼素
（Ｂ）とリン（Ｐ）とを構成元素として含む例えば、Ｂ
_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_1- _α _- _β _- _γＰ_1- _δＡｓ_δ層（０＜α
≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、
０≦δ＜１）とする。また、例えば、Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γ
Ｉｎ _1- _α _- _β _- _γＰ_1- _δＮ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、
０≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）から構
成する。単量体のリン化硼素（ｂｏｒｏｎｍｏｎｏｐ
ｈｏｓｐｈｉｄｅ：ＢＰ）は、構成元素が硼素（Ｂ）と
リン（Ｐ）のみであり、多元混晶よりも構成元素が少な
く成膜が容易であるという利点があるため特に好まし
い。また、例えば、有機金属熱分解気相成長（ＭＯＣＶ
Ｄ）手段に依り、成長速度を毎分２ｎｍ以上で３０ｎｍ
以下とし、リン等のＶ族元素と硼素等のＩＩＩ族元素の
原料の供給比率（所謂、Ｖ／ＩＩＩ比）を１５以上で６
０以下の範囲として成長したリン化硼素は、室温での禁
止帯幅を約３ｅＶとするワイドバンドギャップ（ｗｉｄ
ｅｂａｎｄｇａｐ）半導体となる。この様な禁止帯幅
の広いリン化硼素半導体層は例えば、発光素子にあっ
て、発光層に対する障壁（ｃｌａｄ）層として利用でき
る。

【００１３】多結晶層のリン化硼素系半導体層は、本発
明では、複数のリン化硼素系半導体結晶からなる単結晶
体を集合させて構成する。本発明に係わる多結晶層を構
成する単結晶体の形状を図１に模式的に示す。｛１１
１｝−Ｓｉ単結晶基板１１上の各単結晶体１３は、周囲
をリン化硼素系半導体結晶の｛１１１｝結晶面と等価な
面とする正四角錘体１３ｂ或いは正四角錘体の頂部を
｛１１１｝結晶面とする四角錐状体１３ｃの外形をなし
ている。各単結晶体１３の底面１３ａは、｛１１１｝−
Ｓｉ単結晶基板の｛１１１｝結晶面に平行に配置された
リン化硼素系半導体結晶の｛１１１｝結晶面からなる。
底面１３ａとは、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板１１の表
面に接地している結晶面である。

【００１４】本発明の多結晶層は、図２の平面模式図に
示す如く、上記の複数の四角錐状の単結晶体１３を相互
に結合させて構成されている。各単結晶体１３は接合面
１６を介して互いに連結している。各単結晶体１３の内
部には、双晶１５を存在させてある。各単結晶体１３の
内部に含ませた双晶面１４の存在する方向が画一的に一
定ではないため、その様な異なる結晶方向に双晶を含む
各々の単結晶体１３から構成されているリン化硼素系半
導体層を、本発明では多結晶層と称している。本発明で
は特に、基板をなす｛１１１｝−Ｓｉ単結晶の＜１１０
＞結晶方向に対し角度にして６０度（°）の方向に双晶
面を規則的に含ませた単結晶体１３を集合させて多結晶
層を構成する。ここで云う双晶面とは、具体的には、リ
ン化硼素系半導体結晶の｛１１１｝結晶面に等価な面で
ある。即ち、｛１１１｝、｛−１．−１．−１．｝、
｛１．−１．１．｝等の結晶面である。また、双晶面
は、四角錘状の単結晶体１３の周囲を構成するリン化硼
素系半導体結晶の何れかの｛１１１｝結晶面に平行とな
っているのが特徴である。リン化硼素系半導体結晶の
｛１１１｝結晶面を双晶面１４とする双晶１５の発生に
因り、Ｓｉ単結晶基板とリン化硼素系半導体結晶との格
子ミスマッチに起因するミスミット（ｍｉｓｆｉｔ）転
位の発生、伝搬を効果的に抑制できる。リン化硼素系半
導体結晶では、｛１１１｝結晶面を双晶面とする双晶
は、他の結晶面を双晶面とする双晶に比較して安定して
且つ容易に形成することができる。従って、リン化硼素
系半導体結晶の｛１１１｝結晶面を双晶面とする双晶を
含む単結晶体を集合させて多結晶層を構成すれば、ミス
フィット転位の伝搬を安定して抑制するに効力を発揮で
きる。

【００１５】双晶の存在は例えば、電子線回折技法によ
り撮像された電子線回折図形（パターン）上の異常回折
斑点（ｓｐｏｔ）の有無より知れる（坂公恭著、「結
晶電子顕微鏡学」、１９９７年１１月２５日、（株）内
田老鶴圃発行第１版、１１１〜１１３頁参照）。また、
入射電子線をリン化硼素系半導体層の＜１１０＞結晶方
向に平行として撮像した回折図形上の＜１１０＞結晶方
向と双晶に起因する回折斑点とのなす角度を計測すれ
ば、＜１１０＞結晶方向と双晶とがなす角度を知ること
ができる。因みに、双晶はまた、一種の積層欠陥（ｓｔ
ａｃｋｉｎｇｆａｕｌｔ）と見なすこともできる（上
記の「結晶電子顕微鏡学」、１１２頁参照）。

【００１６】本発明に係わる双晶を含む単結晶体を集合
させた多結晶層を得るには、成膜時の条件を精密に制御
する必要がある。特に、｛１１１｝結晶面を双晶面とす
る双晶を含むリン化硼素系半導体結晶からなる四角錘状
の単結晶体は、例えば、トリエチル硼素（（Ｃ₂Ｈ₅）₃
Ｂ）／ホスフィン（ＰＨ₃）／水素（Ｈ₂）を原料系とす
る常圧の有機金属熱分解気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）に
よって、成長温度を精密に制御して形成する。上記ＭＯ
ＣＶＤ手段にあって、リン化硼素系半導体多結晶層、特
に、単量体のリン化硼素の多結晶層を得るに好適な温度
の範囲は、９５０℃以上１１００℃以下さらに好ましく
は１０２５℃〜１０７５℃の範囲である。インジウム
（Ｉｎ）を含むリン化硼素系半導体多結晶層の形成に
は、より低温の約９５０℃〜約１０００℃が好適であ
る。アルミニウム（Ａｌ）を構成元素として含むリン化
硼素系半導体多結晶層は、比較的に高温の約１０５０℃
〜１１００℃が好適である。約１２００℃を越える高温
では、ＢＰ₆、Ｂ₁₃Ｐ₂等のリン化硼素多量体が発生し易
くなり、組成的に均質なリン化硼素系半導体層を得るに
不都合となる。

【００１７】また、双晶を内在する単結晶体を効率的に
形成するには、成長の速度を毎分２０ｎｍから毎分６０
ｎｍの範囲とするのが望ましい。単量体のリン化硼素
（ＢＰ）にあっては、毎分３０ｎｍ〜４０ｎｍの成長の
速度が特に好適である。６０ｎｍを越える速度で成長さ
せた単結晶体には、多量の双晶（積層欠陥）に加え、点
欠陥や転位等の他の結晶欠陥の密度が急激に増加する不
都合を生じ、結晶性に優れる多結晶層を得るに困難を来
す。逆に、成長速度を小さくすると、即ち、所望の層厚
のリン化硼素系半導体層を得るにより長時間を要する状
況とすると、成長時に於いて構成元素のリン（Ｐ）の揮
散する機会が増す。このため、２０ｎｍ／分未満の小さ
な成長速度は、リン（Ｐ）の蒸発、揮散に起因するリン
化硼素系半導体層の構成元素間での化学的な当量比の不
均衡が急激に発生する。化学量論的に不均衡な組成のリ
ン化硼素系化合物半導体層には、点欠陥が多量に含まれ
ているため本発明に係わる多結晶層とするには不適であ
る。

【００１８】単結晶体の内部に含まれる双晶は、例え
ば、基板のＳｉ単結晶と単結晶体を構成するリン化硼素
系半導体との格子ミスマッチに起因して発生するミスフ
ィット転位の伝搬を抑制する作用を有する。例えば、Ｓ
ｉ基板と単結晶体との接合界面から発生したミスフィッ
ト転位は、単結晶体の内部に在る双晶により吸収され、
より上方への伝搬を抑制する作用を有する。これに依
り、単結晶体の上部に至るまで貫通する貫通転位の密度
は減ぜられる。

【００１９】また、そもそもミスフィット転位の少ない
単結晶体を得るには、Ｓｉ単結晶基板とリン化硼素系半
導体層との中間に緩衝層を設ける技術手段も有効とな
る。緩衝層は、非晶質または多結晶のリン化硼素系化合
物半導体層から構成するのが好適である。非晶質または
多結晶の緩衝層は、基板をなすＳｉ単結晶との格子不整
合性を緩和して、ミスフィット転位等の結晶欠陥密度の
小さいリン化硼素系半導体層をもたらすに効果を発揮す
る。また、特に、緩衝層をリン化硼素系半導体から構成
すると、硼素とリンは成長を促進する「成長核」として
作用するため、その上に連続性のあるリン化硼素系半導
体層を形成するに効果を奏する。緩衝層をリン化硼素か
ら構成する場合、層厚は約１ｎｍ以上で５０ｎｍ以下、
更には２ｎｍ以上で１５ｎｍ以下とするのが好ましい。

【００２０】双晶を含む単結晶体を集合させて構成した
多結晶層の表層部は、下方のＳｉ単結晶基板側から貫通
して来るミスフィト転位が少なく、結晶性に優れる領域
となっている。従って、本発明の構成からなるリン化硼
素系半導体多結晶層上には、結晶性に優れる堆積層を成
長させることができる。特に、堆積層を、多結晶層の表
面をなすリン化硼素系半導体の単結晶体の表面に交差す
る結晶格子の面間隔（格子間隔）と同一の間隔に配列し
た結晶面から構成される結晶層とすると、ミスフィット
転位の少ない結晶性に優れる結晶層を得るに効果を上げ
られる。図３に模式的に示す如く、単結晶体の｛１１
１｝結晶面からなる表面１７に交差する低次のミラー指
数｛ｈｋｌ｝面には、ｈ＝ｋ＝ｌ＝１の｛１１１｝の
他、｛１１０｝、｛１００｝結晶面等がある。これら
｛ｈｋｌ｝結晶面の単結晶体の｛１１１｝結晶面表面に
於ける間隔（＝ｄ）は、立方晶閃亜鉛鉱結晶のリン化硼
素系半導体結晶にあっては、ｄ（Å）＝ａ／｛（ｈ²＋
ｋ²＋ｌ²）^1/2・ｓｉｎθ｝で与えられる。ａ（Å）は
リン化硼素系半導体結晶の格子定数であり、θは｛１１
１｝結晶表面１７とそれに交差する結晶面とがなす角度
（°）である。例えば、リン化硼素（ＢＰ）多結晶層の
表面上に、その表面を構成するＢＰ単結晶体１３の｛１
１１｝結晶面と直角に交差する｛１１０｝結晶面と格子
間隔（≒３．２１Å）に一致する、六方晶の（１．０．
０．０．）結晶面を配列したウルツ鉱結晶型（Ｗｕｒｔ
ｚｉｔｅ）の窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ_0.94
Ｉｎ_0.06Ｎ）結晶層を堆積する例が上げられる。この様
な結晶性に優れる結晶層は、例えば、発光素子にあっ
て、高強度の発光をもたらす発光層として好適に利用で
きる。

【００２１】本発明に係わるリン化硼素系半導体の多結
晶層を利用すれば、リン化硼素系半導体素子として例え
ばＬＥＤを構成できる。ＬＥＤは例えば、ｐ形｛１１
１｝−Ｓｉ単結晶基板と、基板上に硼素（Ｂ）とリン
（Ｐ）とを含む非晶質の緩衝層を介して成長した本発明
に係わるｐ形リン化硼素（ＢＰ）多結晶層と、多結晶層
上のｎ形発光層と、発光層上の成長させた本発明に係わ
るｎ形リン化硼素（ＢＰ）多結晶層とを備えた積層構造
体を基に構成できる。室温での禁止帯幅を約３ｅＶとす
るリン化硼素の単結晶体から構成される多結晶層は、発
光層を挟持するクラッド（ｃｌａｄ）層として利用でき
る。発光層はＧａ_XＩｎ_1-XＮ（０≦Ｘ≦１）或いはリン
化窒化ガリウム（ＧａＮ_1-YＰ_Y：０＜Ｙ≦１）等からな
る井戸（ｗｅｌｌ）層を備えた単一或いは多重の量子井
戸（ＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ）構造から構成すること
もできる。因みに、井戸層に対するバリア（ｂａｒｒｉ
ｅｒ）層は窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_XＧａ_1-X
Ｎ：０≦Ｘ≦１）やＧａＮ_1-ZＰ_Z（０≦Ｚ＜１、Ｚ＜
Ｙ）等から構成できる。上記の積層構造体の表層をなす
ｎ形リン化硼素多結晶層にｎ形オーミック（Ｏｈｍｉ
ｃ）電極を設け、また、ｐ形Ｓｉ単結晶基板の裏面にｐ
形オーミック電極を配置して、ｐｎ接合型ヘテロ構造の
ＬＥＤを構成できる。

【００２２】また、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）で高抵
抗の｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板と、基板上に硼素
（Ｂ）とリン（Ｐ）とを含む多結晶の緩衝層を介して成
長した酸素（Ｏ）が添加された高抵抗のリン化硼素多結
晶層と、多結晶層上に高純度のｎ形窒化ガリウム（Ｇａ
Ｎ）層を活性層（電子走行層）として備えた積層構造体
からは、ヘテロ接合型の電界効果トランジスタ（ＦＥ
Ｔ）等の電子デバイスを構成できる。ＦＥＴは、活性層
上にショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接合型のゲート
（ｇａｔｅ）電極を、また活性層上に積層したｎ形コン
タクト層の表面のゲート電極を挟んで対向する位置にソ
ース（ｓｏｕｒｃｅ）及びドレイン（ｄｒａｉｎ）オー
ミック電極を、それぞれ設けて構成する。

【００２３】

【作用】本発明のリン化硼素系半導体結晶からなる双晶
を含む単結晶体は、Ｓｉ単結晶基板とリン化硼素系半導
体との格子ミスマッチに起因するミスフィット転位の上
方への伝搬を抑制する作用を有する。

【００２４】

【実施例】以下に、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板上に多
結晶層からなるリン化硼素（ＢＰ）層を備えた積層構造
体からＬＥＤを作製した例を用いて、本発明を具体的に
説明する。

【００２５】本実施例に係わるＬＥＤ１Ｂの平面模式図
を図４に示す。また、図４に示す破線Ｘ−Ｘ’に沿った
ＬＥＤ１Ｂの断面模式図を図５に示す。

【００２６】ＬＥＤ１Ｂ用途の積層構造体１Ａは、硼素
（Ｂ）ドープでｐ形の（１１１）面から２°オフ（ｏｆ
ｆ）した面を有するＳｉ単結晶を基板１０１として構成
した。基板１０１上には、トリエチル硼素（（Ｃ₂Ｈ₅）
₃Ｂ）／ホスフィン（ＰＨ₃）／水素（Ｈ₂）系常圧ＭＯ
ＣＶＤ法により、３５０℃で、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で
非晶質を主体とするリン化硼素からなる緩衝層１０２を
堆積した。緩衝層１０２の層厚は約１０ｎｍとした。

【００２７】緩衝層１０２の表面には、上記のＭＯＣＶ
Ｄ気相成長手段を利用して、１０５０℃で多結晶層から
なるｐ形のリン化硼素（ＢＰ）層１０３を積層した。成
長速度は毎分４０ｎｍに設定した。ｐ形リン化硼素層１
０３のキャリア濃度は１×１０ ¹⁹ｃｍ^-3とし、また、層
厚は約４００ｎｍとした。ｐ形リン化硼素層１０３の室
温での禁止帯幅は大凡、３．０ｅＶであった。

【００２８】透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を利用した断
面ＴＥＭ像と電子線回折図形から、ｐ形リン化硼素層１
０３の内部の結晶構造を解析した。図６にＳｉ単結晶基
板１０１の＜１１０＞結晶方向に平行に電子線を入射さ
せて得たｐ形リン化硼素層１０３の回折パターンの模写
図を示す。図６に示す様に、多結晶層からなるｐ形リン
化硼素層１０３をなす各単結晶体１０３ａの｛１１１｝
結晶面に由来する回折斑点１９は、＜１１１＞結晶方向
に平行に、Ｓｉ単結晶基板１０１の（１１１）結晶面に
由来する回折斑点２０に隣接して位置していた。これよ
り、単結晶体１０３ａは、Ｓｉ単結晶基板表面の＜１１
１＞結晶方向に平行に、リン化硼素の｛１１１｝結晶面
が積重した結晶体であるのが示された。また、図６の回
折図形に示す如く、基板１０１のＳｉ単結晶の＜１１１
＞結晶方向に整列した単結晶体１０３ａの回折斑点を点
対称の中心として、近隣に｛１１１｝結晶面を双晶面と
する双晶からの回折斑点２１も確認された。これより、
単結晶体１０３ａは｛１１１｝結晶面を双晶面とする双
晶を含んでいると確認された。双晶に起因する回折斑点
２１の位置から、双晶面はＢＰ結晶の＜１１０＞結晶方
向に対し角度にして６０度の方向に存在しているのが示
された。

【００２９】ｐ形リン化硼素層１０３の表面には、トリ
メチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）／トリメチルインジ
ウム（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ／アンモニア（ＮＨ₃）／Ｈ₂系常
圧ＭＯＣＶＤ法により、８５０℃で六方晶のｎ形の窒化
ガリウム・インジウム（Ｇａ_0. ₉₀Ｉｎ_0.10Ｎ）からなる
発光層１０４を積層した。発光層１０４の層厚は約１０
ｎｍとした。

【００３０】発光層１０４の表面上には、多結晶層から
なるアンドープでｎ形のリン化硼素層１０５を積層させ
た。ｎ形リン化硼素層１０５は、上記のＭＯＣＶＤ気相
成長手段を利用して、１０５０℃で積層した。成長速度
は毎分３０ｎｍに設定した。ｎ形リン化硼素層１０５
は、上記のｐ形リン化硼素層１０３と同様に、ＢＰの
（１１１）結晶面からなる正四面体状の単結晶体１０５
ａの集合体から構成されるものとなった。ｎ形リン化硼
素層のキャリア濃度は８×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、また、層
厚は約３００ｎｍとした。ｎ形リン化硼素層１０５の室
温での禁止帯幅は大凡、３．０ｅＶであった。

【００３１】電子線回折図形より、ｎ形リン化硼素層１
０５をなす各単結晶体１０５ａの｛１１１｝結晶面は、
（１１１）−Ｓｉ単結晶基板１０１の＜１１１＞結晶方
向に平行に配列していた。また、単結晶体１０５ａの内
部には、ＢＰ結晶の｛１１１｝結晶面を双晶面とする双
晶の存在が確認された。双晶面はＢＰ結晶の＜１１０＞
結晶方向に対し角度にして６０度の方向に存在した。

【００３２】室温禁止帯幅をおよそ３．０ｅＶとするｐ
形リン化硼素層１０３及びｎ形リン化硼素層１０５と、
それに同一の格子面間隔を有する材料からなる発光層１
０４とからｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）構造の発光
部１０６を構成した。

【００３３】ｎ形リン化硼素層１０５の表面の中央部に
は、台座電極を兼ねる円形のｎ形オーミック電極１０７
を配置した。ｎ形オーミック電極１０７は、金（Ａｕ）
・ゲルマニウム（Ｇｅ）合金／ニッケル（Ｎｉ）／金の
真空蒸着膜を重層させた多層構造から構成した。ｎ形オ
ーミック電極１０７の直径は約１２０μｍとした。ま
た、ｐ形のＳｉ単結晶基板１０１の裏面の略全面には、
ｐ形オーミック電極１０８を配置してＬＥＤ１Ｂを構成
した。ｐ形のオーミック電極１０８は、アルミニウム
（Ａｌ）真空蒸着膜から構成した。Ｓｉ単結晶基板１０
１を［２１１］方向に平行及び垂直な方向に裁断して、
一辺を約３００μｍとする正方形のＬＥＤ１Ｂとした。

【００３４】ｎ形オーミック電極１０７に金（Ａｕ）線
を結線した後、ｎ形オーミック電極１０７及びｐ形オー
ミック電極１０８との間に順方向に２０ミリアンペア
（ｍＡ）の動作電流を通流して発光特性を調査した。発
光中心波長は約４２０ｎｍとなった。発光スペクトルの
半値幅（ＦＷＨＭ）は３２ｎｍとなった。本発明では、
ミスフィット転位の密度の低いｐ形リン化硼素層１０３
を下地層として発光層１０４を形成する構成としたた
め、発光領域には非発光の暗線（ｄａｒｋｌｉｎｅ）
（米津、宏雄著、「光通信素子工学−発光・受光素子」
（平成７年５月２０日、工学図書（株）発行５版、１５
５〜１５６頁参照）は視認されず、発光領域の全面から
略均等の強度の発光がもたらされた。このため、一般的
な積分球を利用して測定されるチップ（ｃｈｉｐ）状態
での輝度は８ミリカンデラ（ｍｃｄ）となり、高発光強
度のＬＥＤが提供されることとなった。また、ＬＥＤ１
Ｂの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性には、転位の影響に因る
局所的な耐圧不良（ｌｏｃａｌｂｒｅａｋｄｏｗｎ）の
発生は認められず、本発明の構成からは、良好なｐｎ接
合特性（整流性）を呈するｐｎ接合型の発光部１０６が
もたらされることが示された。Ｉ−Ｖ特性から求めた順
方向電圧（所謂、Ｖｆ）は３．６Ｖ（順方向電流＝２０
ｍＡ）で、また、逆方向電圧は６Ｖ（逆方向電流＝１０
μＡ）であり、高耐圧であるＬＥＤが提供された。

【００３５】

【発明の効果】本発明では、表面を｛１１１｝−結晶面
とするＳｉ単結晶基板上に設けるリン化硼素系半導体層
を、ミスフィット転位を吸収して、転位の伝搬を抑制で
きる双晶を含む単結晶体を集合させた多結晶層から構成
することとしたので、転位密度の少ない結晶性に優れる
リン化硼素系半導体層を構成することができ、これを利
用すれば特性に優れるリン化硼素系半導体素子、例え
ば、発光強度、整流性及び耐圧性に優れるリン化硼素系
半導体発光素子を提供できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る多結晶層を構成する単結晶体の形
状を示す模式図である。

【図２】本発明に係る多結晶層の構成を示す平面模式図
である。

【図３】本発明に係るリン化硼素系半導体層の｛１１
１｝結晶面に交差する結晶面を表す模式図である。

【図４】本発明の実施例に係るＬＥＤの平面模式図であ
る。

【図５】図３の破線Ｘ−Ｘ’に沿ったＬＥＤの断面模式
図である。

【図６】本発明の実施例に係るリン化硼素層の電子線回
折パターンの模写図である。

【符号の説明】

１Ａ積層構造体１ＢＬＥＤ１１Ｓｉ単結晶基板１２リン化硼素系半導体多結晶層１３単結晶体１３ａ単結晶体の底面１４双晶面１５双晶１６単結晶体の接合面１７単結晶体の｛１１１｝結晶面１８｛ｈｋｌ｝面１９リン化硼素単結晶体の回折スポット２０Ｓｉ単結晶基板の回折スポット２１双晶の回折スポット１０１Ｓｉ単結晶基板１０２緩衝層１０３ｐ形リン化硼素層１０３ａ単結晶体１０４発光層１０５ｎ形リン化硼素層１０５ａ単結晶体１０６発光部１０７ｎ形オーミック電極１０８ｐ形オーミック電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F041 AA04 AA21 AA40 CA04 CA05 CA12 CA23 CA24 CA33 CA34 CA40 CA65 5F045 AA04 AB15 AC01 AC09 AD13 AD14 AD15 AE29 AF03 CA09 5F052 KA01 KA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】珪素（Ｓｉ）単結晶からなる基板と、該基
板の表面上に形成された、基板の表面を構成する結晶面
と同一の結晶面を有するリン化硼素系半導体結晶からな
るリン化硼素系半導体層とを備えたリン化硼素系半導体
素子に於いて、前記の基板が、表面を｛１１１｝結晶面
とする｛１１１｝−Ｓｉ単結晶からなり、前記のリン化
硼素系半導体層は、基板の｛１１１｝結晶面に平行に配
列したリン化硼素系半導体結晶の｛１１１｝結晶面から
なる底面を有し、且つ｛１１１｝結晶面と等価な面で囲
まれた、複数の四角錘状のリン化硼素系半導体結晶の単
結晶体を集合させた多結晶層から構成され、さらに該単
結晶体が、基板の＜１１０＞結晶方向に対して６０度の
角度で傾いた双晶境界面を有することを特徴とするリン
化硼素系半導体素子。
【請求項２】前記リン化硼素系半導体層の上にＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体層が積層されて形成された異種（ヘテ
ロ）接合を有し、該ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、リ
ン化硼素系半導体層をなす単結晶体の表面に交差する結
晶面の面間隔（格子間隔）に一致する間隔で配列した結
晶面から構成されることを特徴とする請求項１に記載の
リン化硼素系半導体素子。
【請求項３】前記リン化硼素系半導体結晶の単結晶体
が、単量体のリン化硼素（ｂｏｒｏｎｍｏｎｏｐｈｏ
ｓｐｈｉｄｅ）結晶からなることを特徴とする請求項１
または２に記載のリン化硼素系半導体素子。
【請求項４】前記リン化硼素系半導体層を、｛１１１｝
−Ｓｉ単結晶基板上に９５０℃以上１１００℃以下の温
度に於いて、有機金属熱分解気相成長法（ＭＯＣＶＤ
法）により、成長速度を毎分２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下
として形成することを特徴とする請求項１ないし３に記
載のリン化硼素系半導体素子の製造方法。
【請求項５】前記リン化硼素系半導体層を、｛１１１｝
−Ｓｉ単結晶基板上に１０２５℃以上１０７５℃以下の
温度に於いて、有機金属熱分解気相成長法（ＭＯＣＶＤ
法）により、成長速度を毎分３０ｎｍ以上４０ｎｍ以下
として形成することを特徴とする請求項４に記載のリン
化硼素系半導体素子の製造方法。
【請求項６】請求項１ないし３に記載のリン化硼素系半
導体素子からなる発光ダイオード。
【請求項７】珪素（Ｓｉ）単結晶からなる基板の表面上
に形成された、基板の表面を構成する結晶面と同一の結
晶面を有するリン化硼素系半導体結晶からなるリン化硼
素系半導体層に於いて、前記の基板が、表面を｛１１
１｝結晶面とする｛１１１｝−Ｓｉ単結晶からなり、前
記のリン化硼素系半導体層は、基板の｛１１１｝結晶面
に平行に配列したリン化硼素系半導体結晶の｛１１１｝
結晶面からなる底面を有し、且つ｛１１１｝結晶面と等
価な面で囲まれた、複数の四角錘状のリン化硼素系半導
体結晶の単結晶体を集合させた多結晶層から構成され、
さらに該単結晶体が、基板の＜１１０＞結晶方向に対し
て６０度の角度で傾いた双晶境界面を有することを特徴
とするリン化硼素系半導体層。