JP4041906B2

JP4041906B2 - Semiconductor light emitting device

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Publication number: JP4041906B2
Application number: JP2001309881A
Authority: JP
Inventors: 康二大塚; 哲次杢; 孝志江川; 博康石川; 孝志神保
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2021-10-05
Also published as: JP2003115606A

Description

【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４‐２９７０２３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ＧａＮ）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。）から成り且つ不純物としてシリコンを含み且つ０．５〜１０ｎｍの厚みを有している複数の第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。）から成り且つ１０〜３００ｎｍの厚みを有している複数の第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。
【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。
（５）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 _y Ｇａ _1-y Ｎ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。また、バッファ層の第１の層の厚みが、０． 5 ｎｍ〜１０ｎｍであり、第２の層１２ｂの厚みが１０ｎｍ〜３００ｎｍである。このため、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の平坦性が良好になり、且つ第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、半導体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。
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ＧａＩｎＮ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。
【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１８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１５、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〜３００ｎｍ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３５００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 Vapor 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ＮＨ₃ （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６３μｍｏｌ／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ＧａＮ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６３μｍｏｌ／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。
【００１３】
次に、バッファ層１２の上面に周知のＭＯＣＶＤ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４．３μmol ／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、Ｃｐ₂ 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、Ｇｐ2 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Ｃｐ₂ 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５３．６μmol ／ｍｉｎ、Ｃｐ₂ Ｍｇガスの流量を約０．１２μmol ／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１２ａ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、ＧａＮ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１２ａと第２の層１２ｂとの複合層から成るバッファ層１２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１２ｂ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２０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。
（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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor light emitting device using a gallium nitride compound semiconductor.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor light-emitting devices such as blue light-emitting diodes using gallium nitride-based compound semiconductors such as GaN (gallium nitride), GaAlN (gallium aluminum nitride), InGaN (indium gallium nitride), InGaAlN (indium gallium nitride aluminum) are well known. .
A typical conventional light emitting device is an insulating substrate made of sapphire, and is disclosed, for example, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-297023 formed on one main surface (upper surface) of this insulating substrate._xAl_1-xA buffer layer made of N (where x is a numerical value in a range of 0 <x ≦ 1), and an n-type semiconductor region made of a gallium nitride-based compound semiconductor (for example, GaN) formed by epitaxial growth on the buffer layer An active layer made of a gallium nitride-based compound semiconductor (for example, InGaN) formed on the n-type semiconductor region by epitaxial growth, and a p-type semiconductor region formed on the active layer by epitaxial growth. . The cathode electrode is connected to the n-type semiconductor region, and the anode electrode is connected to the p-type semiconductor region.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As is well known, a light emitting device is manufactured by cutting a wafer on which a large number of devices are formed by dicing, scribing, cleavage, or the like. At this time, since the insulating substrate made of sapphire has high hardness, it is difficult to perform this dicing with good productivity. Further, since sapphire is expensive, the cost of the light emitting element is increased. Further, since the substrate made of sapphire is an insulator, the cathode electrode could not be formed on the substrate. For this reason, it is necessary to expose a part of the n-type semiconductor region and connect a cathode electrode thereto, and the area of the semiconductor substrate, that is, the chip area becomes relatively large, and the cost of the light emitting element is increased accordingly. became. In a conventional light emitting device using a sapphire substrate, current flows not only in the vertical direction of the n-type semiconductor region but also in the horizontal direction, that is, the direction along the main surface of the sapphire substrate. Since the thickness of the portion in which the horizontal current flows in the n-type semiconductor region is extremely thin, about 4 to 5 μm, the resistance of the horizontal current path in the n-type semiconductor region becomes considerably large, increasing the power consumption and the operating voltage. Invited. Further, in order to expose the connection portion of the cathode electrode in the n-type semiconductor region, it is necessary to etch away the active layer and the p-type semiconductor region by etching. It was necessary to form it slightly thick. For this reason, the time for epitaxial growth of the n-type semiconductor region becomes long, and the productivity is low.
A light emitting element using a conductive substrate made of silicon carbide (SiC) instead of a sapphire substrate is known. In this light emitting device, the cathode electrode can be formed on the lower surface of the conductive substrate. For this reason, compared with the light emitting element using a sapphire substrate, the light emitting element using a SiC substrate has advantages such as reduction in chip area and simplification of wafer separation by cleavage. However, since SiC is much more expensive than sapphire, it is difficult to reduce the cost of the light emitting element. In addition, it is difficult to bring the n-type semiconductor region into low-resistance contact on the SiC substrate, and the power consumption and operating voltage of this light emitting element are relatively high as in the light emitting element using the sapphire substrate.
[0004]
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of improving productivity and performance and reducing cost.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
  The present invention for solving the above problems and achieving the above object is a semiconductor light emitting device having a gallium nitride-based compound semiconductor, which is made of silicon or a silicon compound containing impurities and has a low resistivity. A substrate and one main surface of the substrate, Al_xGa_1-xA plurality of first layers made of N (where x is a numerical value satisfying 0 <x ≦ 1) and containing silicon as an impurity and having a thickness of 0.5 to 10 nm, and GaN or Al_yGa_1-yA plurality of second layers made of N (where y is a numerical value satisfying y <x and 0 <y <1) and having a thickness of 10 to 300 nm. And the second layerLayer andAnd a semiconductor region including a plurality of gallium nitride-based compound layers disposed on the buffer layer to obtain a light emitting function; and A semiconductor light emitting device comprising: a first electrode disposed on the surface of the substrate; and a second electrode disposed on the other main surface of the substrate. Each of the plurality of gallium nitride compound semiconductor layers in the semiconductor region is, for example, a GaN (gallium nitride) layer, a GaAlN (gallium aluminum nitride) layer, an InGaN (indium gallium nitride) layer, or InGaAlN (indium gallium nitride). Aluminum) layer. The material of the second layer is the chemical formula Al_yGa_1-yN (where y is a numerical value satisfying y <x and 0 ≦ y <1).
[0006]
  In addition, as shown in claim 2, the second layer preferably contains silicon as an n-type impurity.
According to a third aspect of the present invention, the semiconductor region includes a first semiconductor region of a first conductivity type made of a gallium nitride-based compound disposed on the buffer layer, and on the first semiconductor region. An active layer disposed on the active layer, and a second semiconductor region comprising a gallium nitride-based compound disposed on the active layer and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type. It is desirable to have it.
According to a fourth aspect of the present invention, the semiconductor region includes an active layer made of GaInN disposed on the buffer layer, a gallium nitride compound in contact with the active layer, and includes a p-type impurity. The second semiconductor region that iswear.
[0007]
【The invention's effect】
  The invention of each claim has the following effects.
  (1) Since the substrate is relatively inexpensive silicon or silicon compound, the cost of the light emitting element can be reduced.
  (2) Al_x Ga_1-x A first layer of N and GaN or Al_yGa_1-yThe buffer layer composed of the composite layer with the second layer composed of N contributes to the improvement of crystallinity and flatness of the gallium nitride compound formed thereon. Accordingly, a light-emitting element having favorable light emission characteristics, that is, light emission efficiency can be provided even though an inexpensive substrate is used.
  (3) The buffer layer is Al_x Ga_1-x A first layer of N and GaN or Al_yGa_1-ySince this is a composite layer with the second layer made of N, the thermal expansion coefficient of the buffer layer is intermediate between the thermal expansion coefficient of the substrate made of silicon or this compound and the thermal expansion coefficient of the semiconductor region made of the GaN-based compound. Therefore, it is possible to suppress the occurrence of distortion due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the semiconductor region.
  (4) Since the first and second electrodes are disposed so as to face each other and silicon is contained as an impurity in the first layer, the resistance value of the current path is lowered to reduce power consumption and operating voltage. Can be reduced.
(5) Al having a relatively small difference in lattice constant from silicon _x Ga _1-x A first layer of N is disposed on the substrate and this is GaN or Al _y Ga _1-y Since it is also arranged between the second layers made of N, the flatness of the buffer layer is improved and the crystallinity of the semiconductor region is also improved. The thickness of the first layer of the buffer layer is 0. Five The thickness of the second layer 12b is 10 nm to 300 nm. For this reason, the flatness of the semiconductor region including a plurality of gallium nitride compound layers disposed on the buffer layer is improved, and discrete energy in the valence band and the conduction band of the second layer is obtained. Generation of levels is suppressed, and an increase in energy levels involved in carrier conduction in the second layer is suppressed. As a result, the deterioration of the discontinuity of the energy band between the substrate and the second layer is suppressed, and the resistance and voltage between the first and second electrodes during operation of the semiconductor light emitting device are reduced..
  According to the invention of claim 2, the power consumption and the operating voltage can be reduced by reducing the resistance value of the second layer.
  Further, according to the invention of claim 3, an element having good light emission characteristics can be provided.
  According to the invention of claim 4, since the active layer made of GaInN is directly formed on the upper surface of the buffer layer, compared with the case where the active layer is formed with a thick AlGaN cladding layer interposed. The tensile stress applied to the active layer is relaxed. As a result, the crystallinity of the active layer is improved, and the light emitting characteristics of the light emitting device are further improved.Ru.
[0008]
[First Embodiment]
Next, a gallium nitride compound blue light emitting diode as a semiconductor light emitting device according to the first embodiment with reference to FIGS. 1 and 2 will be described.
[0009]
A blue light emitting diode according to the embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 and 2 includes a semiconductor region 10 composed of a plurality of gallium nitride compound layers for obtaining a light emitting function, and silicon having a crystal plane orientation of (111) as a main surface. A substrate or substrate 11 made of a semiconductor and a buffer layer 12 are provided. The semiconductor region 10 having a light emitting function includes an n-type semiconductor region 13 as a first semiconductor region made of GaN (gallium nitride), a light-emitting layer or active layer 14 made of p-type InGaN (indium gallium nitride), and a second layer. And a p-type semiconductor region 15 made of GaN (gallium nitride) as the semiconductor region. An anode electrode 17 as a first electrode is formed on one main surface (upper surface) of the base 16 formed of a laminate of the substrate 11, the buffer layer 12, and the semiconductor region 10 having a light emitting function, that is, on the surface of the p-type semiconductor region 15. A cathode electrode 18 as a second electrode is disposed on the other main surface (lower surface) of the base 16, that is, the other main surface of the substrate 11. The buffer layer 12, the n-type semiconductor region 13, the active layer 14, and the p-type semiconductor region 15 are epitaxially grown on the substrate 11 with the respective crystal orientations sequentially aligned.
[0010]
The substrate 11 is made of a silicon single crystal containing a conductivity determining impurity. The impurity concentration of the substrate 11 is 5 × 10¹⁸cm^-3~ 5x10¹⁹cm^-3The resistivity of the substrate 11 is about 0.0001 Ω · cm to 0.01 Ω · cm. The substrate 11 of this embodiment is made of n-type silicon into which As (arsenic) is introduced. The substrate 11 having a relatively low resistivity functions as a current path between the anode electrode 17 and the cathode electrode 18. The substrate 11 has a relatively thick thickness of about 350 μm, and functions as a support for the semiconductor region 10 having the light emitting function and the buffer layer 12 including the p-type semiconductor region 15, the active layer 14 and the n-type semiconductor region 13. To do.
[0011]
The buffer layer 12 disposed so as to cover the entire one main surface of the substrate 11 is composed of a composite layer in which a plurality of first layers 12a and a plurality of second layers 12b are alternately stacked. In FIG. 1 and FIG. 2, the buffer layer 12 is shown as two first layers 12 a and two second layers 12 b for convenience of illustration.
Actually, the buffer layer 12 has ten first layers 12a and ten second layers 12b.
The first layer 12a contains Si (silicon) as an n-type conductivity determining impurity and has a chemical formula
Al_xGa_1-xN
Here, x is an arbitrary numerical value satisfying 0 <x ≦ 1,
It is formed with the material which can be shown by. That is, the first layer 12a is made of AlN (aluminum nitride) or AlGaN (aluminum gallium nitride). In the embodiment of FIGS. 1 and 2, AlN (aluminum nitride) corresponding to the material in which x in the above formula is 1 is used for the first layer 12a. Although AlN of the first layer 12a has an insulating property, in the embodiment, Si (silicon) as an n-type conductivity determining impurity is included, so that the electric resistance is relatively small.
The second layer 12b is made of GaN (gallium nitride) or chemical formula
Al_yGa_1-yN
Here, y is an arbitrary numerical value satisfying y <x and 0 <y <1,
It is a very thin film of an n-type semiconductor made of a material that can be represented by Al as the second layer 12b_yGa_1-yIn the case of using an n-type semiconductor composed of N, in order to suppress an increase in electric resistance of the second layer 12b, y is a value satisfying 0 <y <0.8, that is, greater than 0 and 0.8. It is desirable to make it smaller. In this embodiment, the second layer 12b is made of GaN so as to reduce the electric resistance.
The thickness of the first layer 12a of the buffer layer 12 is preferably 0.5 nm to 10 nm, that is, 5 to 100 angstrom, more preferably 1 nm to 8 nm. When the thickness of the first layer 12a is less than 0.5 nm, the flatness of the semiconductor region 10 formed on the upper surface of the buffer layer 12 cannot be maintained well. When the thickness of the first layer 12a exceeds 10 nm, the quantum mechanical tunnel effect cannot be obtained satisfactorily, and the electrical resistance of the buffer layer 12 increases.
The thickness of the second layer 12b is preferably 0.5 nm to 300 nm, that is, 5 to 3000 angstrom, and more preferably 10 nm to 300 nm. When the thickness of the second layer 12b is 0.5 nm, that is, less than 5 angstroms, it is formed under one of the first layer 11a and the second layer 12b formed on the second layer 12b. As a result, the electrical connection between the first layer 11a and the other first layer 11a is not satisfactorily achieved, and the electrical resistance of the buffer layer 12 increases. When the thickness of the second layer 12b exceeds 300 nm, that is, 3000 angstroms, the flatness of the n-type semiconductor region 13 cannot be kept good.
If the thickness of the second layer is 10 nm or more, the resistance and voltage between the first and second electrodes during the operation of the light emitting element are relatively small. That is, if the thickness of the second layer is less than 10 nm, discrete energy levels are generated in the valence band and the conduction band of the second layer, and the second layer is involved in carrier conduction. The energy level to be increased apparently. As a result, the energy band discontinuity between the substrate and the second layer becomes relatively large, and the resistance and voltage between the first and second electrodes during operation of the light emitting element become relatively large. On the other hand, when the thickness of the second layer is 10 nm or more, generation of discrete energy levels in the valence band and the conduction band of the second layer is suppressed, and carrier conduction in the second layer is suppressed. An increase in the energy level involved is suppressed. As a result, the deterioration of the energy band discontinuity between the substrate and the second layer is suppressed, and the resistance and voltage between the first and second electrodes during operation of the light emitting element are reduced.
In the embodiment of FIGS. 1 and 2, the thickness of the first layer 12a is 5 nm or 50 angstroms, and the thickness of the second layer 12b is 30 nm or 300 angstroms. The thickness is 350 nm or 3500 angstroms.
[0012]
Next, a method for manufacturing a semiconductor light emitting device in which the first layer 12a is AIN and the second layer is GaN will be described.
The buffer layer 12 of one embodiment shown in FIGS. 1 and 2 includes a first layer 12a made of AlN and a second layer made of GaN by a known MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) method. It is formed by repeatedly laminating the layer 12b. That is, a silicon single crystal substrate 11 is placed in a reaction chamber of an MOCVD apparatus, and first, thermal annealing is performed to remove the oxide film on the surface. Next, TMA (trimethylaluminum) gas and NH are placed in the reaction chamber._Three (Ammonia) gas and SiH_Four (Silane) gas is supplied for about 24 seconds to form a first layer 12a made of an AlN layer having a thickness of about 5 nm or about 50 angstroms on one main surface of the substrate 11. In this embodiment, after the heating temperature of the substrate 11 is set to 1120 ° C., the flow rate of TMA gas, that is, the supply amount of Al is about 63 μmol / min, NH_Three Gas flow rate, ie NH_Three About 0.14 mol / min, SiH_Four The gas flow rate, that is, the supply amount of Si was set to about 21 nmol / min. Where SiH_FourThe gas is for introducing Si as an n-type impurity into the first layer 12a. Subsequently, the heating temperature of the substrate 11 is set to 1120 ° C., and the supply of TMA gas is stopped, and then TMG (trimethylgallium) gas and NH are placed in the reaction chamber._Three (Ammonia) gas and SiH_Four (Silane) gas is supplied for about 85 seconds, and the upper surface of the first layer 12a made of AlN formed on one main surface of the substrate 11 is made of n-type GaN having a thickness of about 30 nm, that is, 300 angstroms. The second layer 12b is formed. In this example, the flow rate of TMG gas, that is, the supply amount of Ga is about 63 μmol / min, NH_Three Gas flow rate, ie NH_Three About 0.14 mol / min, SiH_Four The gas flow rate, that is, the supply amount of Si was set to about 21 nmol / min. Where SiH_FourThe gas is for introducing Si as an n-type impurity into the second layer 12b. In this embodiment, the formation of the first layer 12a made of AlN and the formation of the second layer 12b made of GaN is repeated 10 times to obtain the first layer 12a made of AlN and the second layer 12b made of GaN. A buffer layer 12 is formed by alternately stacking 20 layers. Of course, the first layer 12a made of AlN and the second layer 12b made of GaN can be changed to any number such as 50 layers.
[0013]
Next, an n-type semiconductor region 13, an active layer 14, and a p-type semiconductor region 15 are successively formed on the upper surface of the buffer layer 12 by a known MOCVD method.
That is, the substrate 11 having the buffer layer 12 formed on the upper surface is disposed in the reaction chamber of the MOCVD apparatus, and trimethylgallium gas, that is, TMG gas, NH, is first placed in the reaction chamber._Three (Ammonia) gas, SiH_Four (Silane) gas is supplied to form the n-type semiconductor region 13 on the upper surface of the buffer layer 12. Here, the silane gas is for introducing Si as an n-type impurity into the n-type semiconductor region 13. In this embodiment, after the heating temperature of the substrate 11 on which the buffer layer 12 is formed is 1040 ° C., the flow rate of TMG gas, that is, the supply amount of Ga is about 4.3 μmol / min, NH_Three Gas flow rate, ie NH_Three The supply amount of Si was about 53.6 mmol / min, and the flow rate of silane gas, that is, the supply amount of Si was about 1.5 nmol / min. In this embodiment, the thickness of the n-type semiconductor region 13 is about 0.2 μm. In the case of the conventional general light emitting diode, the thickness of the n-type semiconductor region is about 4.0 to 5.0 μm, so that the n-type semiconductor region 13 of this embodiment of FIG. 1 is considerably thinner than this. Is formed. The impurity concentration of the n-type semiconductor region 13 is about 3 × 10.¹⁸cm^-3It is sufficiently lower than the impurity concentration of the substrate 11. According to this embodiment, since the buffer layer 12 is interposed, the n-type semiconductor layer 13 can be formed at a relatively high temperature such as 1040 ° C.
[0014]
Subsequently, the heating temperature of the substrate 11 is set to 800 ° C., and in addition to TMG gas and ammonia gas in the reaction chamber, trimethylindium gas (hereinafter referred to as TMI gas) and biscyclopentaenyl magnesium gas (hereinafter referred to as Cp).₂ It is called Mg gas. ) To form an active layer 14 made of p-type InGaN (indium gallium nitride) on the upper surface of the n-type semiconductor region 13. Where Cp₂ The Mg gas is for introducing Mg (magnesium) as an impurity of p-type conductivity into the active layer 14. In this embodiment, the flow rate of TMG gas is about 1.1 μmol / min, NH_ThreeThe gas flow rate was about 67 mmol / min, the TMI gas flow rate, ie, the supply rate of In was about 4.5 μmol / min, and the Gp2 Mg gas flow rate, ie, the supply rate of Mg, was about 12 nmol / min. The thickness of the active layer 14 was about 2 nm, that is, 20 angstroms. The impurity concentration of the active layer 14 is about 3 × 10.¹⁷cm^-3It is.
[0015]
Subsequently, the heating temperature of the substrate 11 is set to 1040 ° C., and TMG gas, ammonia gas and Cp are placed in the reaction chamber.₂ A p-type semiconductor region 15 made of p-type GaN (gallium nitride) is formed on the upper surface of the active layer 14 by supplying Mg gas. In this example, the flow rate of TMG gas at this time is about 4.3 μmol / min, the flow rate of ammonia gas is about 53.6 μmol / min, Cp.₂ The flow rate of Mg gas was set to about 0.12 μmol / min. The thickness of the p-type semiconductor region 15 was about 0.2 μm. The impurity concentration of the p-type semiconductor region 15 is about 3 × 10.¹⁸cm^-3It is.
[0016]
According to the MOCVD growth method described above, the buffer layer 12 that successfully inherits the crystal orientation of the substrate 11 made of silicon single crystal can be formed. In addition, the crystal orientations of the n-type semiconductor region 13, the active layer 14, and the p-type semiconductor region 15 can be aligned with the crystal orientation of the buffer layer 12.
[0017]
The anode electrode 17 as the first electrode is formed, for example, by depositing nickel and gold on the upper surface of the semiconductor substrate 16, that is, the upper surface of the p-type semiconductor region 15 by a known vacuum deposition method or the like. Low resistance contact with the surface. As shown in FIG. 2, the anode electrode 17 has a circular planar shape, and is disposed at the approximate center of the upper surface of the semiconductor substrate 16. A region 19 in which the anode electrode 17 is not formed on the upper surface of the semiconductor substrate 16 functions as a light extraction region.
[0018]
The cathode electrode 18 as the second electrode is not formed in the n-type semiconductor region 13 but is formed on the entire lower surface of the substrate 11 by, for example, titanium and aluminum by a known vacuum deposition method or the like.
[0019]
When the blue light emitting diode of FIG. 1 is attached to an external device, for example, the cathode electrode 18 is fixed to the external electrode such as a circuit board with solder or a conductive adhesive, and the anode electrode 17 is attached to the external electrode by a known wire bonding method. The wire is electrically connected to the wire.
[0020]
According to the blue light emitting diode of this embodiment, the following effects can be obtained.
(1) Since the substrate 11 made of silicon, which is remarkably low cost and has good workability, can be used as compared with sapphire, it is possible to reduce material costs and production costs. For this reason, the cost of the GaN-based light emitting diode can be reduced.
(2) The buffer layer 12 formed of a composite layer of the first layer 12 a and the second layer 12 b formed on one main surface of the substrate 11 contributes to improvement of crystallinity and flatness of the semiconductor region 10. . That is, the buffer layer 12 can successfully inherit the crystal orientation of the substrate 11 made of silicon. As a result, the GaN-based semiconductor region 10 including the n-type semiconductor region 13, the active layer 14, and the p-type semiconductor region 15 can be favorably formed on the main surface of the buffer layer 12 with the crystal orientation aligned. For this reason, the characteristics of the GaN-based semiconductor region 10 are improved, and the light emission characteristics are also improved.
(3) When the semiconductor region 10 is formed via the buffer layer 12 in which a plurality of first layers 12a and second layers 12b are stacked, the flatness of the semiconductor region 10 is improved. That is, if a buffer layer composed only of a GaN semiconductor layer is formed on one main surface of the substrate 11 made of silicon, the difference in lattice constant between silicon and GaN is large, so that the upper surface of the buffer layer is flat. A GaN-based semiconductor region having excellent properties cannot be formed. Further, if the buffer layer 12 is formed relatively thick only by the first layer 12a, the resistance of the buffer layer increases. In addition, if the buffer layer 12 is formed relatively thin only by the first layer 12a, a sufficient buffer function cannot be obtained. In contrast, in this embodiment, the first layer 12a made of AlN and the second layer 12b made of GaN have a relatively small lattice constant difference between silicon and the substrate 11 and the GaN-based semiconductor region 10. Since the buffer layer 12 made of a composite layer is interposed, the flatness of the GaN-based semiconductor region 10 is improved. As a result, the light emission characteristics of the GaN-based semiconductor region 10 are improved.
(4) Since the anode electrode 17 and the cathode electrode 18 are opposed to each other and the first layer 12a is doped with silicon, the resistance value and voltage between the anode electrode 17 and the cathode electrode 18 are lowered. Thus, the power consumption of the light emitting diode can be reduced.
(5) Since each of the plurality of first layers 12a included in the buffer layer 12 is set to a thickness that causes a quantum mechanical tunnel effect, an increase in resistance of the buffer layer 12 can be suppressed. .
(6) Generation of strain due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate 11 and the GaN-based semiconductor region 10 can be suppressed. That is, since the thermal expansion coefficient of silicon and the thermal expansion coefficient of GaN are greatly different from each other, if the two layers are directly laminated, distortion due to the difference in thermal expansion coefficient is likely to occur. However, the thermal expansion coefficient of the buffer layer 12 composed of the composite layer of the first layer 12 a and the second layer 12 b of this embodiment is intermediate between the thermal expansion coefficient of the substrate 11 and the thermal expansion coefficient of the GaN-based semiconductor region 10. Has a value. For this reason, the buffer layer 12 can suppress the occurrence of distortion due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate 11 and the GaN semiconductor region 10.
(7) Since the thickness of the second layer 12b is relatively 30 nm, the discontinuity between the energy band of the substrate 11 and the energy band of the second layer 12b is improved, and the anode during operation is improved. The resistance value and voltage between the electrode 19 and the cathode electrode 18 are lowered.
(8) The cathode electrode 18 can be easily formed as compared with a light emitting device using a conventional sapphire substrate. That is, in the case of a light emitting device using a conventional sapphire substrate, a part corresponding to the p-type semiconductor region 15 and the active layer 14 in FIGS. 1 and 2 is removed to expose a part of the n-type semiconductor region 13. Therefore, it is necessary to connect a cathode electrode to the exposed n-type semiconductor region 13. For this reason, the conventional light emitting device has the disadvantage that it is difficult to form a cathode electrode, and the disadvantage that the area of the n-type semiconductor region becomes large in order to form the cathode electrode. 1 and 2 does not have the above-described drawbacks.
(9) Since the crystal orientation of the main surface 11a of the silicon substrate 11 is the (111) just plane, the number of steps in the semiconductor region 10 is reduced and the light emission efficiency is increased.
[0021]
[Second Embodiment]
Next, the semiconductor device of the second embodiment will be described with reference to FIG. 3 that are substantially the same as those in FIG. 1 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
[0022]
The semiconductor device of FIG. 3 is obtained by providing a transistor 20 as another semiconductor element on the silicon substrate 11 of the light emitting diode shown in FIG. The transistor 20 includes a collector region C, a base region B, and an emitter region E formed in a P-type semiconductor region 21 for element isolation. Thus, when the light emitting diode and the transistor are combined, the circuit device including them can be reduced in size and cost.
[0023]
[Modification]
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and for example, the following modifications are possible.
(1) The substrate 11 can be made of polycrystalline silicon other than single crystal silicon or a silicon compound such as SiC.
(2) The conductivity type of each layer of the semiconductor substrate 16 can be reversed from that of the embodiment.
(3) Each of the n-type semiconductor region 13, the active layer 14, and the p-type semiconductor region 15 can be constituted by a combination of a plurality of semiconductor regions. Further, the active layer 14 made of GaInN can be directly in contact with the buffer layer 12 without the n-type semiconductor region 13. Thereby, the tensile stress applied to the active layer 14 is relieved compared with the case where the active layer 14 is formed with a thick AlGaN cladding layer interposed. For this reason, the crystallinity of the active layer 14 becomes good, and the light emitting characteristics of the light emitting element can be further improved.
(4) P for ohmic contact under the anode electrode 17⁺A shaped semiconductor region can be provided.
(5) The anode electrode 17 can be a transparent electrode.
(6) The number of the second layers 12b of the buffer layer 12 can be increased by one layer compared to the first layer 12a, and the second layer 12b can be disposed between the substrate 11 and the first layer 12a. .
(7) The first layer 12a and the second layer 12b may contain impurities as long as these functions are not hindered.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a central longitudinal sectional view showing a light emitting diode according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of the light emitting diode of FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 GaN-based semiconductor region
11 Substrate made of silicon single crystal
12 Buffer layer
12a first layer
The second layer consisting of 12b
13 n-type semiconductor region
14 Active layer
15 p-type semiconductor region
16 Base
18 Anode electrode
19 Cathode electrode

Claims

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み且つ０．５〜１０ｎｍの厚みを有している複数の第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。）から成り且つ１０〜３００ｎｍの厚みを有している複数の第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。A semiconductor light emitting device having a gallium nitride compound semiconductor,
A substrate made of silicon or a silicon compound containing impurities and having a low resistivity;
Arranged on one main surface of the substrate, made of Al _x Ga _1-x N (where x is a numerical value satisfying 0 <x ≦ 1), containing silicon as an impurity, and 0.5 to It consists of a plurality of first layers having a thickness of 10 nm and GaN or Al _y Ga _1-y N (where y is a numerical value satisfying y <x and 0 <y <1) and 10 A buffer layer comprising a plurality of second layers having a thickness of ˜300 nm, and comprising a composite layer in which the first layers and the second layers are alternately stacked;
A semiconductor region including a plurality of gallium nitride compound layers disposed on the buffer layer to obtain a light emitting function;
A first electrode disposed on a surface of the semiconductor region;
And a second electrode disposed on the other main surface of the substrate.

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。 The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the second layer contains silicon as an n-type impurity.

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。The semiconductor region is
A first semiconductor region of a first conductivity type composed of a gallium nitride-based compound disposed on the buffer layer;
An active layer disposed on the first semiconductor region;
And a second semiconductor region made of a gallium nitride compound disposed on the active layer and having a second conductivity type opposite to the first conductivity type. The semiconductor light-emitting device according to claim 1.

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。The semiconductor region is
An active layer made of GaInN in contact with the buffer layer;
3. The semiconductor light emitting device according to claim 1, further comprising: a second semiconductor region made of a gallium nitride compound disposed on the active layer and containing a p-type impurity.