JP2007149713A - 半導体発光ダイオード - Google Patents

Abstract

【課題】 超格子構造からなるＤＢＲ膜を反射率に優れたものとすることができ、発光特性を向上させることができるようにする。
【解決手段】 本発明は、珪素単結晶基板１０１と、その珪素単結晶基板１０１上に形成されたIII族窒化物半導体からなる介在層１０３と、その介在層１０３上に形成されたｐｎ接合型ヘテロ接合構造の発光部（１０５，１０６，１０７）とを備えてなる半導体発光ダイオード１００において、介在層１０３がアルミニウムを含むIII族窒化物半導体から構成され、その介在層１０３と発光部（１０５，１０６，１０７）との中間に、アルミニウムを含むとともにアルミニウム組成比が互いに異なる複数のIII族窒化物半導体層からなる超格子構造体１０４が設けられているものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板上に形成されたIII族窒化物半導体からなる介在層と、その介在層上に形成されたｐｎ接合型ヘテロ接合構造の発光部とを備えてなる半導体発光ダイオードに関する。

従来から、窒化ガリウム（ＧａＮ）等のIII族窒化物半導体材料は、短波長の可視発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）やレーザーダイオード（英略称：ＬＤ）の半導体発光素子（半導体発光ダイオード）の発光部を構成するために利用されている（下記の特許文献１参照）。半導体発光素子の発光部とは、発光をもたらす半導体材料からなる発光層と、発光層に付随する例えばクラッド（ｃｌａｄ）層等の機能層とからなる部位である。発光層を構成するための半導体材料の例には、窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ：０≦Ｘ≦１）がある（下記の特許文献１参照）。
特公昭５５−３８３４号公報

III族窒化物半導体からなる発光部は、例えば、サファイア（α−Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）（上記の特許文献１参照）や珪素単結晶（シリコン）（下記の特許文献２参照）を基板として形成されている。これらの基板上にIII族窒化物半導体層を形成するに際しては、双方間の格子ミスマッチを緩和するために、緩衝（ｂｕｆｆｅｒ）層を介在させるのが一般的となっている（下記の特許文献３参照）。例えば、シリコン基板上にIII族窒化物半導体層を形成するために、燐化硼素（ＢＰ）層を緩衝層として利用する技術が知られている（下記の特許文献４参照）。
特開昭４９−１２２２９４号公報 特開昭６０−１７３８２９号公報 特開平４−０８４４８６号公報

また、シリコン基板上に緩衝層として炭化珪素層を形成する手段として、シリコン基板の表面を炭化する技術が開示されている（下記の非特許文献１参照）。シリコン基板の表面に設けた炭化珪素層上には良質な窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＮ）層が形成できるとされる（下記の特許文献５参照）。従って、その上には、III族窒化物半導体層の超格子構造からなるブラッグ反射膜（英略称：ＤＢＲ）等の機能層を形成することも可能となると推察される。
ジャーナル オブ エレクトロケミカルソサエティ（Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．）、（アメリカ合衆国）、第１３７巻、第３号、１９９０年、９８９〜９９２頁 特開平４−２２３３３０号公報

一方、従来技術において、サファイアを基板とする場合に、ＤＢＲ層をＧａＮとＡｌＮとの超格子構造から構成する例が開示されている（下記の非特許文献２参照）。
アプライド フィジクス レターズ（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．），（アメリカ合衆国）、第７４巻、第７号、１９９９年、１０３６〜１０３８頁。

しかし、例えば炭化珪素緩衝層上に設けたＡｌＮ層を下地として超格子構造を設けようとしても、超格子構造を、ＧａＮ薄膜とＡｌＮ薄膜とのIII族窒化物半導体層の組み合わせから構成する限り、安定してそれを形成できないという問題がある。これは、ピット（ｐｉｔ）が少なく表面が平坦であり、且つ特定の結晶方位に画一的に配向した連続性のあるＧａＮ薄膜を、そもそも、ＡｌＮ薄膜に接合させて形成することが、ＡｌＮ薄膜表面上でのガリウム（Ｇａ）の凝集の影響によりできないからである。

このように、シリコン基板に形成した炭化珪素緩衝層を介して、III族窒化物半導体層からなる超格子構造体を設ける場合、従来技術では、連続性があり、配向性の揃ったIII族窒化物半導体層からそれを形成できず、従って、反射率に優れたＤＢＲ膜を形成することができず、半導体発光ダイオードの発光特性も改善できないという問題点を有していた。

本発明は、上記従来技術の問題点を克服すべくなされたもので、超格子構造からなるＤＢＲ膜を反射率に優れたものとすることができ、発光特性を向上させることができる半導体発光ダイオードを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、１）第１の発明は、珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板上に形成されたIII族窒化物半導体からなる介在層と、その介在層上に形成されたｐｎ接合型ヘテロ接合構造の発光部とを備えてなる半導体発光ダイオードにおいて、上記介在層がアルミニウムを含むIII族窒化物半導体から構成され、その介在層と上記発光部との中間に、アルミニウムを含むとともにアルミニウム組成比が互いに異なる複数のIII族窒化物半導体層からなる超格子構造体が設けられているものである。

２）第２の発明は、上記した１）項に記載の発明の構成において、上記介在層はアルミニウム組成比がＸ₁（０＜Ｘ₁≦１）で、上記超格子構造体の各層は、アルミニウム組成比をＸ₁以下で且つ互いに異なるＸ₂及びＸ₃（０＜Ｘ₂＜Ｘ₃≦Ｘ₁）とするものである。

３）第３の発明は、上記した２）項に記載の発明の構成において、上記介在層と上記超格子構造体との中間に、アルミニウムを含むIII族窒化物半導体からなる中間層が設けられ、この中間層はアルミニウム組成比Ｘ₄をＸ₂より大でＸ₃以下（０＜Ｘ₂＜Ｘ₄≦Ｘ₃）とするものである。

４）第４の発明は、上記した１）項から３）項の何れか１項に記載の発明の構成において、上記介在層、超格子構造体の各層および中間層は、窒化アルミニウム・ガリウムから構成されているものである。

５）第５の発明は、上記した１）項から４）項の何れか１項に記載の発明の構成において、上記珪素単結晶基板と上記介在層との間に、ガンマ（γ）相アルミニウム膜が設けられているものである。

本発明の第１の発明によれば、珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板上に形成されたIII族窒化物半導体からなる介在層と、その介在層上に形成されたｐｎ接合型ヘテロ接合構造の発光部とを備えてなる半導体発光ダイオードにおいて、介在層がアルミニウムを含むIII族窒化物半導体から構成され、その介在層と発光部との中間に、アルミニウムを含むとともにアルミニウム組成比が互いに異なる複数のIII族窒化物半導体層からなる超格子構造体を設けるので、連続性に優れるIII族窒化物半導体層から超格子構造体を構成することができる。

本発明の第２の発明によれば、介在層はアルミニウム組成比がＸ₁（０＜Ｘ₁≦１）で、超格子構造体の各層は、アルミニウム組成比をＸ₁以下で且つ互いに異なるＸ₂及びＸ₃（０＜Ｘ₂＜Ｘ₃≦Ｘ₁）とするようにしたので、超格子構造体を連続性に優れるアルミニウム含有III族窒化物半導体層から構成することができ、従って、この超格子構造体を、高い効率で発光を反射するブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射層として用いて高輝度の発光素子を作製することができる。

本発明の第３の発明によれば、介在層と超格子構造体との中間に、アルミニウムを含むIII族窒化物半導体からなる中間層が設けられ、この中間層はアルミニウム組成比Ｘ₄をＸ₂より大でＸ₃以下（０＜Ｘ₂＜Ｘ₄≦Ｘ₃）とするようにしたので、連続性に優れるIII族窒化物半導体層を安定して形成することができ、従って、この超格子構造を例えば、ブラッグ反射層として利用すれば、高輝度の発光素子を安定して作製することができる。

本発明の第４の発明によれば、第４の発明は、介在層、超格子構造体の各層および中間層を、窒化アルミニウム・ガリウムから構成することとしたので、連続性に優れるIII族窒化物半導体層をもたらすに好都合なＡｌを含むIII族窒化物半導体からなる中間層等を形成するのに効果を上げられ、短波長の発光を高効率で反射するのに適するブラッグ反射層を構成することができ、従って、高輝度の短波長発光素子を作製できる。

本発明の第５の発明によれば、珪素単結晶基板と介在層との間に、ガンマ（γ）相アルミニウム膜を設けることとしたので、基板をなす珪素単結晶とＡｌを含むIII族窒化物半導体層とのミスマッチが緩和され、良質な介在層を形成することができる。良質な介在層を下地とすれば、その上には結晶性の良好なIII族窒化物半導体層からなる超格子構造体を形成でき、しいては、この超格子構造体をブラッグ反射層として利用して高輝度の発光素子を作製できる。

本発明に係る半導体発光ダイオードは、珪素単結晶（シリコン）基板と、その珪素単結晶基板上に形成されたIII族窒化物半導体からなる介在層と、その介在層上に形成されたｐｎ接合型ヘテロ接合構造の発光部とを備えてなる半導体発光ダイオードにおいて、介在層がアルミニウム（Ａｌ）を含むIII族窒化物半導体から構成され、その介在層と発光部との中間に、アルミニウムを含むとともにアルミニウム組成比が互いに異なる複数のIII族窒化物半導体層からなる超格子構造体を設けたものである。

シリコン基板上に、Ａｌを含むIII族窒化物半導体層を介在層として形成するのには、例えば、有機金属化学的気相堆積（英略称：ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシャル（英略称：ＭＢＥ）法等を利用できる。例えば、ＭＯＣＶＤ法においては、例えば、トリメチルＡｌ（分子式（ＣＨ₃）₃Ａｌ）Ａｌ源とし、トリメチルガリウム（分子式（ＣＨ₃）₃Ｇａ）をＧａ源としてＡｌを含むIII族窒化物半導体層を形成する。

例えば、｛００１｝または｛１１１｝結晶面等からなるシリコン基板表面上に、III族構成元素の原料の総量に対するＡｌ原料の供給量を調節して、所望のＡｌ組成比を有するIII族窒化物半導体層を形成する。シリコン基板上に設けるＡｌを含むIII族窒化物半導体層は、ウルツ鉱型（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）の六方晶結晶、または閃亜鉛鉱型の立方晶結晶の何れかから構成されていても構わない。何れの場合も、Ａｌ組成比をＸ₁（０＜Ｘ₁≦１）とする、ピット（孔）が少なく連続性のある良質なIII族窒化物半導体層を得ることができる。Ａｌを含ませることにより、ガリウム（Ｇａ）等のIII族窒化物半導体層を構成するIII族元素の凝集を抑制でき、平坦で連続なIII族窒化物半導体層が得られる。

シリコン基板上に、格子ミスマッチを緩和する緩衝層を介して、Ａｌを含むIII族窒化物半導体層を介在層として設けることとすると、より一層良質なIII族窒化物半導体層を得ることができる。

緩衝層は、例えば炭化珪素（ＳｉＣ）などから構成できる。炭化珪素からなる緩衝層は、例えば化学的気相堆積（英略称：ＣＶＤ）法で形成できる（Ｘ．Ｍ．Ｚｈｅｎｇ他、Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，２３３（２００１），４０〜４４頁参照）。また、シリコン基板の表面を、アセチレン（分子式Ｃ₂Ｈ₂）などの炭化水素類を利用して炭化する手段によっても形成できる（Ａ．Ｙａｍａｄａ他、Ｊ．Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ，１８９／１９０（１９９８），４０１〜４０５頁参照）。

緩衝層をなす炭化珪素層は、シリコン基板の表面を略一様に均等な厚さで形成するのが好ましい。特に、緩衝層は、珪素単結晶の格子定数（０．５４３１ｎｍ）に対し、簡単な整数比率をなす炭化珪素層が望ましい。例えば、珪素単結晶と炭化珪素層との格子定数の比率を４：５とする炭化珪素層は、シリコン基板との長周期でのドメインマッチング（ｄｏｍａｉｎ ｍａｔｃｈｉｎｇ）（Ｊ． Ｎａｒａｙａｎ，Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，９３（１）（２００３），２７８〜２８５頁参照）がもたらされるため好適に利用できる。炭化珪素層がシリコン基板にドメインマッチングしている様子は、例えば、高分解能透過型電子顕微鏡（英略称：ＨＲ−ＴＥＭ）を利用した断面ＴＥＭ像に観れる。

また、緩衝層は、金属Ａｌ層、特に、ガンマ（γ）相のＡｌ層から構成できる。γ−Ａｌ層は、例えば、（１１１）結晶面を表面とするシリコン基板（（１１１）−Ｓｉ）上に、特に好都合に形成できる。例えば、ＭＢＥ法や化学ビームエピタキシャル成長（英略称：ＣＢＥ）等の高真空環境下で成膜する成長手段を利用して好都合に形成できる。この場合、（１１１）−Ｓｉ基板表面に（７×７）再配列構造（例えば、日本物理学会編著、「表面新物質とエピタクシー」、）１９９２年１２月１０日、（株）培風館発行初版、８章参照）を出現させた後、形成すると良質なγ−Ａｌ層を形成できる。

上記の如くの緩衝層を利用することにより、その層上には、Ａｌを含まない、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるIII族窒化物半導体層も形成できるが、その場合は結晶粒が散在した状態の連続性に欠けるものとなる。これらの緩衝層上に設けるIII族窒化物半導体層（介在層）をＡｌを含むIII族窒化物半導体層から構成すると、ピット（孔）が少なく連続性のある結晶層を得ることができる。例えば、連続性に優れるＡｌ組成比をＸ₁とする窒化アルミニウム・ガリウム混晶（組成式Ａｌ_X1Ｇａ_1-X1Ｎ：０＜Ｘ₁≦１）層を形成できる。また、緩衝層をなす結晶層の特定の結晶方向に対して画一的に配向した、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ：Ｘ₁＝１）連続膜を好都合に形成できる。

連続性に優れるＡｌ組成比をＸ₁とするIII族窒化物半導体からなる介在層を下地層とすれば、その上には連続性に優れるIII族窒化物半導体層からなる超格子構造体を形成できる。

超格子構造体は、例えば、ＧａＮや窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ_QＩｎ_1-QＮ：０＜Ｑ＜１）などのＡｌを含まないIII族窒化物半導体層からも構成できる。一方で、Ａｌを含むIII族窒化物半導体層を下地として、その上に成長させたＡｌを含むIII族窒化物半導体層は、例えば、ＧａなどのＡｌとは別のIII族構成元素の凝集を抑制できるため、ピットが少なく、これまた連続性に優れるものとなる。また、Ａｌを含むIII族窒化物半導体層を下地として形成したＡｌを含むIII族窒化物半導体からなる上層は、同じくそれを下地として形成したＧａＮ層やＧａ_QＩｎ_1-QＮ（０＜Ｑ＜１）層と比較して、上層に含まれるＡｌが下地層の表面の原子配列に対して、特定の位置を占有するため、配向（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）の画一性に優れたものとなる。

従って、超格子構造体を構成する各層を何れも、Ａｌを構成元素として含むIII族窒化物半導体層とすることにより、ピットが少なく、平坦な表面の超格子構造体を得るのに優位となる。連続性に優れるIII族窒化物半導体層から構成される超格子構造体は、その上に例えば、接合界面の平坦性に優れるｐｎ接合型構造の発光部を形成するのに優位となる。

超格子構造体を、連続性のある平坦な表面を有する、互いにＡｌ組成比が異なるIII族窒化物半導体層を交互に周期的に重層させて構成すると、その上に設けた例えば、ｐｎ接合構造型の発光部からの発光を反射するのに好都合となるブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射層（英略称：ＤＢＲ層）をもたらすことができる。

この超格子構造体は、例えばＡｌ組成比をＸ₂とするIII族窒化物半導体層と、Ａｌ組成比をＸ₃（Ｘ₂＜Ｘ₃）とするIII族窒化物半導体層とを交互に周期的に重層させて構成する。各層の層厚（単位：ｎｍ）は、λ／（４・ｎ）（ｎｍ）とするのが好適である。ここで、λ（単位：ｎｍ）は、超格子構造体の上方に設ける発光部をなす発光層から出射される発光の波長である。ｎは、Ａｌ組成比をＸ₂またはＸ₃とするIII族窒化物半導体層の波長λに於ける屈折率である。超格子構造体をＤＢＲ層となす場合、Ａｌ組成比Ｘ₂及びＸ₃が互いにできるだけ大きく異なる値となるようにすると、発光を高い反射率で反射できる帯域幅を拡幅できる。

Ａｌ組成比をＸ₂及びＸ₃（Ｘ₂＜Ｘ₃）とするIII族窒化物半導体層からなる超格子構造体は、ＤＢＲ層としてだけでなく、そのＡｌ組成比の相違を利用して歪を緩和するための構造体として利用できる。この歪を緩和するために用いる超格子構造体は、ＤＢＲ層を構成する場合のごとく、層厚をλ／（４・ｎ）とするIII族窒化物半導体層から構成する必要は必ずしも無い。Ａｌ組成比をＸ₂及びＸ₃とするＡｌを含むIII族窒化物半導体層の層厚を、例えば１：３の比率として超格子構造体を形成する。Ａｌ組成比をＸ₂より大のＸ₃とするＡｌを含むIII族窒化物半導体層の層厚をより大として構成すると、応力歪が適度に打ち消されるため、歪を緩和するのに好都合な超格子構造体を形成できる。

Ａｌ組成比Ｘ₃をＸ₁以下とするＡｌを含むIII族窒化物半導体層を用いて超格子構造体を構成すると、すなわち、０＜Ｘ₂＜Ｘ₃≦Ｘ₁の関係にある、Ａｌ組成比をＸ₂及びＸ₃とするIII族窒化物半導体層を用いて超格子構造体を構成すると、超格子構造体を構成する各層間で応力歪が、特に効果的に緩和されるため、歪に因るクラック（ｃｒａｃｋ）の無い超格子構造体を形成できる。

Ａｌ組成比をＸ₁とするＡｌを含むIII族窒化物半導体層（介在層）上に、超格子構造体を設けるに際し、その間に更にＡｌ組成比をＸ₄とするIII族窒化物半導体層を中間層として設け、その上に超格子構造体を設ける構成とすると、介在層と超格子構造体をなすＡｌを含むIII族窒化物半導体層との応力差を緩和させることができ、クラック（亀裂）の無い超格子構造体をより一層安定してもたらすのに効果を上げられる。特に、Ａｌ組成比をＸ₂を超え、Ｘ₃以下のＸ₄（Ｘ₂＜Ｘ₄≦Ｘ₃）とするＡｌを含むIII族窒化物半導体層から中間層を構成するのが、好適である。

クラックの無い超格子構造体を安定してもたらすための本発明に係る積層構成を、Ａｌ組成比（Ｘ₁〜Ｘ₄）に関連させて図１に模式的に示す。積層構造体１０は、（ａ）珪素単結晶基板１１と、その基板１１の表面に、（ｂ）例えば、ＡｌＮ等のIII族窒化物半導体と格子定数の近いγ−Ａｌからなる緩衝層１２と、（ｃ）Ａｌ組成比をＸ₁（０＜Ｘ₁≦１）とするIII族窒化物半導体層（介在層）１３と、（ｄ）Ａｌ組成比をＸ₄（０＜Ｘ₂＜Ｘ₄≦Ｘ₃）とするIII族窒化物半導体からなる中間層１４と、（ｅ）Ａｌ組成比をＸ₁以下とし、且つ互いに異なるＸ₂及びＸ₃とする（０＜Ｘ₂＜Ｘ₃≦Ｘ₁）III族窒化物半導体層からなる超格子構造体１５を形成して構成する。

例えば、III族窒化物半導体層（介在層）１３を、Ａｌ組成比Ｘ₁を１とするＡｌＮ層とし、中間層１４を、Ａｌ組成比Ｘ₄を０．５０とするＡｌ_0.50Ｇａ_0.50Ｎ層とし、超格子構造体１５を、Ａｌ組成比Ｘ₂を０．０５としたＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層とＡｌ組成比Ｘ₃が１であるＡｌＮ層とから構成する。なお、本発明は図１の構成に限定されることなく、緩衝層１２と中間層１４とは、必要に応じて設ければよい。

超格子構造体を構成するために、交互に積層するＡｌ組成比をＸ₂またはＸ₃とするＡｌを含むIII族窒化物半導体層の数、すなわち、周期数に規定は無いが、ＤＢＲ用途の超格子構造体にあっては、例えば、高い効率で発光を反射できる周期（ｐａｉｒ）数とするのが好ましい。この場合、屈折率をより大とするＡｌを含むIII族窒化物半導体層を発光部に近い最表層として超格子構造体を形成すると、より少ない周期数で高い反射率を有するＤＢＲ層を構成できる。例えば、Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ、及びＸ₃を１とするＡｌＮとを交互に積層させて超格子構造体を形成する場合、屈折率がＡｌＮより大きなＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層を最表層として配置して、２０周期の超格子構造体を形成することとすれば、波長を４６０ｎｍとする発光について、９０％を超える反射率を呈するＤＢＲ層を形成できる。

発光を効率的に反射する作用を発揮するＤＢＲ層として作用する超格子構造体上に発光部を設ける構成とすれば、高輝度のＬＥＤを得るのに優位となる。

（実施例１） （００１）結晶面を表面とする（００１）Ｓｉ単結晶基板上に形成した、ＤＢＲ用途の超格子構造体を利用してＬＥＤを構成する場合を例にして本発明の内容を具体的に説明する。

図２に本実施例１に係るＬＥＤ２０の平面構成を模式的に示す。また、図３には、図２に示した破線Ａ−Ａ‘に沿ったＬＥＤ２０の断面模式図を示す。

ＬＥＤ２０を作製するための積層構造体２００は、（００１）結晶面を表面とするｎ形珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）を基板２０１として形成した。一般的なＭＢＥ装置を使用して、基板２０１を高真空中、８００℃で熱処理し、その基板２０１の表面に（２×１）再配列構造を出現させた。その後、Ｓｉ基板２０１の表面に、層厚を約２ｎｍとする立方晶ＳｉＣからなる緩衝層２０２を形成した。高分解能ＴＥＭ（ＨＲ−ＴＥＭ）による格子像の観察から、基板２０１と緩衝層２０２との接合界面では、Ｓｉの５面の（００１）結晶面に対して、ＳｉＣの６面の（００１）結晶面がドメインマッチングして接合しているのが示された。

ＳｉＣ緩衝層２０２の表面には、一般的なＭＢＥ法により、珪素（Ｓｉ）をドーピングしたｎ形のＡｌＮからなる介在層２０３（本文中に記載のＡｌ組成比をＸ₁とするＡｌを含むIII族窒化物半導体層である。本実施例１ではＸ₁は１である。）を形成した。介在層２０３の層厚は約４０ｎｍとした。

介在層２０３上には、一般的なＭＢＥ法により、Ｓｉをドーピングしたｎ形のＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ及びｎ形のＡｌＮを交互に繰り返し積層させたＤＢＲ層としての超格子構造体２０４を形成した。すなわち、Ａｌ組成比Ｘ₂を０．０５とするＡｌ_0.05Ｇａ_0.95ＮとＡｌ組成比Ｘ₃を１とするＡｌＮとから超格子構造体２０４を形成した。ＤＢＲ用途としての超格子構造体２０４は、介在層２０３に接する層をＡｌＮ（屈折率約２．１６）から、また、最上層をＡｌＮより大きな屈折率を有するＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ（屈折率＝２．４３）から構成して形成した。波長４６０ｎｍの発光を効率的に反射させることを意図して、超格子構造体２０４を構成するＡｌＮ層及びＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層の層厚は、各々、５３ｎｍ及び４７ｎｍとした。ＡｌＮ層及びＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層の積層周期数は２０とした。

超格子構造体２０４を構成するＡｌＮ層及びＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層は、Ａｌ組成比Ｘ₁を１とする高Ａｌ組成比のIII族窒化物半導体層（介在層）を介して設けたため、何れも連続性に優れる半導体層となった。また、超格子構造体２０４の最上層をなすＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層の表面に垂直に波長４６０ｎｍの光を入射させた際の同波長の光に対するＤＢＲ用途の超格子構造体２０４の反射率は約９７％であった。

超格子構造体２０４の最上層をなすＡｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層の表面上には、一般的なＭＢＥ法により、ｎ形Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ層からなる下部クラッド層２０５、ｎ形ＧａＮ層とｎ形Ｇａ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎ層との対を５周期に亘り繰り返し積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる発光層２０６、及びｐ形Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層からなる上部クラッド層２０７を、この順序で積層させてｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部を形成した。下部クラッド層２０５をなすｎ形Ａｌ_0.01Ｇａ_0.99Ｎ層の層厚は２５０ｎｍとし、上部クラッド層２０７をなすｐ形Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎ層の層厚は９０ｎｍとした。ＭＱＷ構造の発光層２０６をなすｎ形ＧａＮ層からなる障壁層の層厚は１０ｎｍとし、ｎ形Ｇａ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎ層からなる井戸層の層厚は３ｎｍとした。

上記のＤＨ構造の発光部をなす上部クラッド層２０７の表面上には、更に、ｐ形のＧａＮ層（層厚＝８０ｎｍ）からなるコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層２０８を積層して、ＬＥＤ２０用途の積層構造体２００の形成を終了した。

上記のｐ形コンタクト層２０８の一部の領域には、金（元素記号：Ａｕ）・酸化ニッケル（ＮｉＯ）合金からなるｐ形オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極２０９を形成した。一方、ｎ形オーミック電極２１０は、その電極２１０を設ける領域に在るコンタクト層２０８、上部クラッド層２０７及び発光層２０６をドライエッチング手段で除去して露出させた下部クラッド層２０５の表面に形成した。その後、チップ（ｃｈｉｐ）状に裁断し、ＬＥＤ２０を作製した。

このＬＥＤ２０のｐ形及びｎ形オーミック電極２０９、２１０間に、順方向に、２０ｍＡの素子駆動電流を通流して、発光特性を調査した。ＬＥＤ２０から出射される主たる発光の波長は約４６０ｎｍであった。また、Ａｌを含むIII族窒化物半導体層（介在層）上に、Ａｌを含むIII族窒化物半導体層からなる超格子構造体をＤＢＲ層として設けたために、発光光度は約１．９カンデラ（ｃｄ）と高値となった。連続性に優れるＡｌを含むIII族窒化物半導体層から構成した超格子構造体上にｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部を設ける構成としたため、その発光部も連続性に優れるIII族窒化物半導体層から構成することができ、従って、発光ムラが無く、均一な強度の発光を呈するＬＥＤ２０が提供されることとなった。

（実施例２） （１１１）結晶面を表面とする（１１１）Ｓｉ単結晶基板上に形成した、ＤＢＲ用途の超格子構造体を利用してＬＥＤを構成する場合を例にして本発明の内容を具体的に説明する。

表面を（１１１）結晶面とするｎ形シリコン基板を、一般的なＭＢＥ装置内で基板を高真空中、８５０℃で熱処理し、その基板の表面に（７×７）再配列構造を出現させた。その後、Ｓｉ基板の表面に、約１原子層の厚さに相当するγ相アルミニウム（γ−Ａｌ）からなる極薄膜を緩衝層として形成した。

γ−Ａｌ緩衝層の表面上には、一般的なＭＢＥ法により、上記の実施例１に記載したのと同一の珪素をドーピングしたｎ形のＡｌＮからなる介在層を形成した。この介在層には、一般的なＭＢＥ法により、Ｓｉをドーピングしたｎ形のＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎとｎ形のＡｌＮとを交互に繰り返し積層させたＤＢＲ層としての超格子構造体を形成した。超格子構造体は、上記の介在層に接する層をＡｌＮ（屈折率約２．１６）から、また、最上層をＡｌＮより大きな屈折率を有するＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ（屈折率＝２．４１）から構成して形成した。波長４６０ｎｍの発光を効率的に反射させることを意図して、本実施例２にあっては、超格子構造体を構成するＡｌＮ層及びＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ層の層厚は、各々、５３ｎｍ及び４８ｎｍとした。ＡｌＮ層及びＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ層の積層周期数は３０とした。

超格子構造体を構成するＡｌＮ層及びＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ層は、Ａｌ組成比Ｘ₁を１とする高Ａｌ組成比のIII族窒化物半導体層（介在層）を介して設けたため、何れも連続性に優れる半導体層となった。また、３０周期の超格子構造体の最上層をなすＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ層の表面に垂直に波長４６０ｎｍの光を入射させた際の同波長の光に対するＤＢＲ用途の超格子構造体の反射率は約９５％であった。

超格子構造体の最上層をなすＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ層の表面上には、一般的なＭＢＥ法により、ｎ形Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層からなる下部クラッド層、ｎ形ＧａＮ層とｎ形Ｇａ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎ層との対を５周期に亘り繰り返し積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる発光層、及びｐ形Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ層からなる上部クラッド層を、この順序で積層させてｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部を形成した。下部クラッド層をなすｎ形Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層の層厚は２００ｎｍとし、上部クラッド層をなすｐ形Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ層の層厚は８０ｎｍとした。上記の実施例１と同じく、ＭＱＷ構造の発光層をなすｎ形ＧａＮ層からなる障壁層の層厚は１０ｎｍとし、ｎ形Ｇａ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎ層からなる井戸層の層厚は３ｎｍとした。

上記のＤＨ構造の発光部をなす上部クラッド層の表面上には、更に、ｐ形の燐化硼素（ＢＰ）層（層厚＝１９０ｎｍ）からなるコンタクト層を積層して、ＬＥＤ用途の積層構造体の形成を終了した。コンタクト層をなすＢＰ層は、一般的なＭＯＣＶＤ法により形成した。

ｐ形コンタクト層の一部の領域には、金（Ａｕ）・亜鉛（元素記号：Ｚｎ）合金からなるｐ形オーミック電極を形成した。一方、ｎ形オーミック電極は、上記の実施例１に記載の如く、その電極を設ける領域に在る上部クラッド層や発光層をドライエッチング手段で除去して露出させた下部クラッド層の表面に形成した。その後、チップ状に裁断し、図２及び図３に示したＬＥＤと同様のＬＥＤを作製した。

このＬＥＤのｐ形及びｎ形オーミック電極間に、順方向に、２０ｍＡの素子駆動電流を通流して、発光特性を調査した。ＬＥＤから出射される主たる発光の波長は約４６０ｎｍであった。また、γ−Ａｌ緩衝層上に形成したＡｌを含むIII族窒化物半導体層（介在層）上に、Ａｌを含むIII族窒化物半導体層からなる超格子構造体をＤＢＲ層として設けたために、発光光度は約２．０カンデラ（ｃｄ）と高値となった。連続性に優れるＡｌを含むIII族窒化物半導体層から構成した超格子構造体上にｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部を設ける構成としたため、その発光部も連続性に優れるIII族窒化物半導体層から構成することができ、従って、発光ムラが無く、均一な強度の発光を呈するＬＥＤが提供されることとなった。

（実施例３） （１１１）結晶面を表面とする（１１１）Ｓｉ単結晶基板上に形成した金属Ａｌ層と、そのＡｌ層上に設けた超格子構造体を利用してＬＥＤを構成する場合を例にして本発明の内容を具体的に説明する。

図４に本実施例３に係るＬＥＤ３０の平面構造を模式的に示す。

シリコン基板３０１の（１１１）結晶面からなる表面に、上記の実施例２に記載の如く、γ−Ａｌ極薄膜（厚さ約１原子層）からなる緩衝層３０２を形成した。

緩衝層３０２上には、一般的なＭＢＥ法により、珪素（Ｓｉ）をドーピングしたｎ形のＡｌＮからなる介在層３０３（本文中に記載のＡｌ組成比をＸ₁とするＡｌを含むIII族窒化物半導体層である。本実施例３ではＸ₁は１である。）を形成した。

介在層３０２上に、一般的なＭＢＥ法により、Ａｌ組成比を０．６０とするＡｌ_0.60Ｇａ_0.35Ｎ層（Ａｌ組成比をＸ₄とするIII族窒化物半導体層に相当する。本実施例３ではＸ₄は０．６０である。）からなる中間層３０４を形成した。中間層３０４は、厚さを約２００ｎｍとするＳｉをドーピングしたｎ形の導電性層から構成した。

中間層３０４には、上記の実施例２に記載の、Ｓｉをドーピングしたｎ形のＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎとｎ形のＡｌＮとを交互に繰り返し３０周期分、積層させた超格子構造体３０５を形成した。超格子構造体３０５を構成するＡｌＮ層及びＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ層の層厚は、上記の実施例２の場合と同じく、各々、５３ｎｍ及び４８ｎｍとした。

超格子構造体３０５の最上層をなすＡｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ層の表面上には、一般的なＭＢＥ法により、上記の実施例２と同一の仕様のｎ形Ａｌ_0.05Ｇａ_0.95Ｎ層からなる下部クラッド層３０６、ｎ形ＧａＮ層とｎ形Ｇａ_0.85Ｉｎ_0.15Ｎ層との対を５周期に亘り繰り返し積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からなる発光層３０７、及びｐ形Ａｌ_0.10Ｇａ_0.90Ｎ層からなる上部クラッド層３０８を、この順序で積層させてｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部を形成した。

上記のＤＨ構造の発光部をなす上部クラッド層３０８の表面上に、上記の実施例２に記載のｐ形のＢＰ層からなるコンタクト層３０９を積層して、ＬＥＤ３０用途の積層構造体３００の形成を終了した。

上記の実施例２に記載の如く、ｐ形コンタクト層３０９の一部の領域には、金（Ａｕ）・亜鉛（Ｚｎ）合金からなるｐ形オーミック電極３１０を形成した。一方、ｎ形オーミック電極３１１は、その電極３１１を設ける領域に在る、コンタクト層３０９、上部クラッド層３０８及び発光層３０７をドライエッチング手段で除去して露出させた下部クラッド層３０６の表面に形成した。その後、チップ状に裁断し、ＬＥＤ３０を作製した。

このＬＥＤ３０のｐ形及びｎ形オーミック電極間に、順方向に、２０ｍＡの素子駆動電流を通流して、発光特性を調査した。ＬＥＤ３０から出射される主たる発光の波長は約４６０ｎｍであった。また、γ−Ａｌ緩衝層３０２上に形成したＡｌを含むIII族窒化物半導体層（介在層）３０３および中間層３０４を介して、超格子構造体３０５を設けたため、ＤＢＲ層としての超格子構造体３０５は連続性に優れるＡｌを含むIII族窒化物半導体層から構成できることとなり、その結果反射率を高くすることができたため、発光光度は約２．０カンデラ（ｃｄ）と高値となった。

また、超格子構造体３０５を中間層３０４を下地として設けたため、超格子構造体３０５は、中間層３０４をなすＡｌ_0.65Ｇａ_0.35Ｎ結晶の[２．−１．−１．０．]結晶方位に対して、[２．−１．−１．０．] 結晶方位を平行として画一的に配向したＡｌを含むIII族窒化物半導体層から構成できた。このため、この超格子構造体上に設けたｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部も連続性に優れ、且つ画一的な配向性を有するIII族窒化物半導体層から構成することができ、従って、発光強度にムラが無く、均一な強度の発光を呈するＬＥＤ３０が提供されることとなった。

本発明に係る積層構成を説明するための模式図である。 実施例１に記載のＬＥＤの平面模式図である。 図１に示す破線Ａ−Ａ’に沿ったＬＥＤの断面模式図である。 実施例２に記載のＬＥＤの断面模式図である。

符号の説明

１０ 積層構造体
１１ 珪素単結晶基板
１２ 緩衝層
１３ 介在層（Ａｌ組成比Ｘ₁のIII族窒化物半導体層）
１４ Ａｌ組成比をＸ₄とする中間層
１５ Ａｌ組成比Ｘ₂及びＸ₃のIII族窒化物半導体層からなる超格子構造体
２０ ＬＥＤ
２００ ＬＥＤ用途積層構造体
２０１ （００１）−珪素単結晶基板
２０２ 緩衝層
２０３ 介在層（Ａｌ組成比Ｘ₁のIII族窒化物半導体層）
２０４ Ａｌ組成比Ｘ₂及びＸ₃のIII族窒化物半導体層からなる超格子構造体
２０５ 下部ラッド層
２０６ 発光層
２０７ 上部クラッド層
２０８ ＧａＮコンタクト層
２０９ ｐ形オーミック電極
２１０ ｎ形オーミック電極
３０ ＬＥＤ
３００ ＬＥＤ用途積層構造体
３０１ （１１１）−珪素単結晶基板
３０２ 緩衝層
３０３ 介在層（Ａｌ組成比Ｘ₁のIII族窒化物半導体層）
３０４ Ａｌ組成比をＸ₄とする中間層
３０５ Ａｌ組成比Ｘ₂及びＸ₃のIII族窒化物半導体層からなる超格子構造体層
３０６ 下部ラッド層
３０７ 発光層
３０８ 上部クラッド層
３０９ ＢＰコンタクト層
３１０ ｐ形オーミック電極
３１１ ｎ形オーミック電極

Claims (5)

1. 珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板上に形成されたIII族窒化物半導体からなる介在層と、その介在層上に形成されたｐｎ接合型ヘテロ接合構造の発光部とを備えてなる半導体発光ダイオードにおいて、
   上記介在層がアルミニウムを含むIII族窒化物半導体から構成され、その介在層と上記発光部との中間に、アルミニウムを含むとともにアルミニウム組成比が互いに異なる複数のIII族窒化物半導体層からなる超格子構造体が設けられている、
   ことを特徴とする半導体発光ダイオード。
2. 上記介在層はアルミニウム組成比がＸ₁（０＜Ｘ₁≦１）で、上記超格子構造体の各層は、アルミニウム組成比がＸ₁以下で且つ互いに異なるＸ₂及びＸ₃（０＜Ｘ₂＜Ｘ₃≦Ｘ₁）である、請求項１に記載の半導体発光ダイオード。
3. 上記介在層と上記超格子構造体との中間に、アルミニウムを含むIII族窒化物半導体からなる中間層が設けられ、この中間層はアルミニウム組成比Ｘ₄がＸ₂より大でＸ₃以下（０＜Ｘ₂＜Ｘ₄≦Ｘ₃）である、請求項２に記載の半導体発光ダイオード。
4. 上記介在層、超格子構造体の各層および中間層は、窒化アルミニウム・ガリウムから構成されている、請求項１乃至３項の何れか１項に記載の半導体発光ダイオード。
5. 上記珪素単結晶基板と上記介在層との間に、ガンマ（γ）相アルミニウム膜が設けられている、請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体発光ダイオード。

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