CN100468766C - 氮化物类半导体元件 - Google Patents

Abstract

准备了掺杂p型杂质而且具有充分导电性的p型硅基板(1)。在基板(1)上依次外延生长由n型AlInGaN构成的缓冲区(3)、由n型GaN构成的n型氮化物半导体层(13)、有源层(14)及由p型GaN构成的p型氮化物半导体层(15)。通过p型硅基板(1)与由n型AlGaInN构成的n型缓冲区(3)的异质结中的界面能级，提高硅基板(1)的载流子向n型缓冲区(3)的输运效率，降低发光二极管的驱动电压。

Description

氮化物类半导体元件

技术领域

本发明涉及发光二极管(LED)、晶体管等氮化物类半导体元件。

背景技术

用于构成氮化物类半导体元件的基板由蓝宝石、碳化硅或者硅构成。硅基板与蓝宝石基板及碳化硅基板相比，具有容易切断，成本低的优点。此外，硅基板能够得到在蓝宝石基板中不能得到的导电性。因此，能够将硅基板作为电流通路使用。但是，由于硅基板与氮化物半导体之间的电位势垒而产生比较大的压降，因而发光二极管的驱动电压比较高。

在特开2002-208729号公报(以下，称为专利文献1)中，公布了用于解决硅基板中的上述缺点的技术。在该专利文献1中，在n型硅基板上，依次外延生长作为缓冲层的AlN(氮化铝)层、具有与硅基板同样导电类型的n型InGaN(氮化镓铟)层、n型GaN(氮化镓)层、由InGaN构成的有源层及p型GaN层。当采用该技术时，InGaN层的In与Ga及AlN层的Al在硅基板中扩散，在硅基板的表面区中产生由Ga、In、Al与Si构成的合金层，即产生金属化合物区。该合金层具有降低硅与AlN之间的异质结的电位势垒的功能。其结果是，能够降低在发光二极管中流过预定的电流时的驱动电压，降低电力损失，提高效率。

但是，即使在形成这样的合金层的情况下，n型硅基板与氮化物半导体之间的电位势垒也比较大，发光二极管的压降即驱动电压与使用蓝宝石基板的发光二极管相比高到1.2倍左右。

上述问题，在发光二极管以外的、在硅基板的厚度方向上流过电流的其他的半导体元件中也产生，例如在晶体管中也产生。

作为发光二极管的其他的问题，存在很难容易地形成能够满足光的取出与电连接两者的电极。即，一般情况下，在具有发光功能的半导体区的表面上设置氧化铟(In₂O₃)与氧化锡(SnO₂)的混合物(以下，称为ITO)等的光透射性电极，进而在光透射性电极的表面上的大体中央上设置用于连接导线等的光非透射性的接合焊盘电极。由于光透射性电极例如是10nm左右厚度的薄的导体膜，所以接合焊盘电极的金属材料在光透射性电极中或者在光透射性电极与半导体区两者中扩散，在半导体区与接合焊盘电极之间形成肖特基势垒。由于该肖特基势垒具有阻止发光二极管的正向电流的功能，所以流过半导体区的接合焊盘电极的下面的部分的电流被肖特基势垒抑制，相反，半导体区的外周侧部分的电流增大。因此，接合焊盘电极下面的肖特基势垒具有与众所周知的电流阻挡层同样的功能，对提高发光效率有贡献。众所周知，所谓的电流阻挡层是限制流过与有源层中的接合焊盘电极对置的区域中的电流的层。众所周知，流过与有源层中的接合焊盘电极对置的区域中的电流，是对发光效率没有贡献的无效电流。

但是，如已经说明的那样，使用n型硅基板的发光二极管的正向驱动电压比较大。这样，在发光二极管的正向驱动电压比较大时，硅基板及半导体区中的电力损失也增大，在这里的发热量也增大，上述的肖特基势垒区的温度也增大，上述的肖特基势垒的特性劣化，通过该肖特基势垒的漏电流增大，相反，外周侧部分的电流减小。由此，由肖特基势垒引起的电流阻挡功能降低，发光效率也降低。

对于为了限制接合焊盘电极的下部的无效电流而在接合焊盘电极与半导体区之间设置由绝缘性材料构成的众所周知的电流阻挡层的发光二极管，利用电流阻挡层的作用能够提高其发光效率，但相反地却需要用于形成电流阻挡层的特别的工序，发光二极管的成本必然增高。

专利文献1:特开2002-208729号公报

发明内容

因此，本发明欲解决的课题是:使用硅基板的氮化物类半导体元件的压降大而且驱动电压高的课题。

为解决上述课题，本发明的氮化物类半导体元件的特征在于，具备:具有导电性的p型硅基板；在上述p型硅基板的一个主面上形成的n型氮化物半导体区；用于形成配置在上述n型氮化物半导体区上的半导体元件的主要部分的主半导体区；与上述主半导体区连接的第1电极；以及与上述p型硅基板的另一个主面连接的第2电极。

上述半导体元件的主要部分意味着半导体元件的有源部或者激活部。此外，上述半导体元件能够具有上述第1及第2电极之外的另外的电极。

作为上述半导体元件，在构成发光二极管时，在上述主半导体区上最好至少包含有源层与p型氮化物半导体层。

作为上述半导体元件，在构成晶体管时，在上述主半导体区上最好至少包含p型基区与n型发射区。

作为上述半导体元件，在构成绝缘栅型场效应晶体管时，在上述主半导体区上最好至少包含p型体区与n型源区。

上述n型氮化物半导体区最好在能够形成从该n型氮化物半导体区向着上述p型硅基板的电流通路的状态下，与上述p型硅基板接触。

上述n型氮化物半导体区最好是在用化学式Al_aIn_bGa_1-a-bN表示的材料中掺杂了n型杂质的区域，其中，a及b是满足0≤a<1、0≤b<1的数值。

上述半导体元件最好进而具备配置在上述n型氮化物半导体区与上述p型硅基板之间的中介层，该中介层用具有能够得到量子力学的隧道效应的厚度而且具有比上述n型氮化物半导体区大的电阻率的材料形成。

上述中介层的材料最好是例如用化学式Al_xIn_yGa_1-x-yN表示的包含铝的氮化物半导体，其中，x及y是满足0<x≤1、0≤y<1、0<x+y≤1的数值。

上述半导体元件最好进而具有配置在上述n型氮化物半导体区与上述主半导体区之间的多层结构的缓冲区，上述多层结构的缓冲区包括:由包含第1比例的Al(铝)的氮化物半导体构成的多个第1层、以及由不包含Al或者包含比上述第1比例小的第2比例的Al的氮化物半导体构成的多个第2层，上述第1层与上述第2层交替层叠。

上述n型氮化物半导体区包括:由包含第1比例的Al(铝)的氮化物半导体构成的多个第1层、以及由不含Al或者包含比上述第1比例小的第2比例的Al的氮化物半导体构成的多个第2层，是上述第1层与上述第2层交替层叠的多层结构的缓冲区。

上述多层结构的缓冲区的上述第1层，最好由用化学式Al_xM_yGa_1-x-yN表示的材料构成，其中，上述M是从In(铟)与B(硼)中选择的至少一种元素，上述x及y是满足0<x≤1、0≤y<1、x+y≤1的数值，而且，具有能够得到量子力学的隧道效应的厚度。

上述多层结构的缓冲区的上述第2层，最好由用化学式Al_aM_bGa_1-a-bN表示的材料构成，其中，上述M是从In(铟)与B(硼)中选择的至少一种元素，上述a及b是满足0≤a<1、0≤b≤1、a+b≤1、a<x的数值。

作为上述半导体元件，在构成发光二极管时，最好设置与上述p型氮化物半导体层电连接的阳极作为上述第1电极，设置阴极作为上述第2电极。

能够用与上述p型氮化物半导体层电连接的具有光透射性的导电膜和在上述导电膜的表面的一部分上形成的连接用金属层，来构成上述发光二极管的上述第1电极。

在上述发光二极管的上述主半导体区的上述p型氮化物半导体层与上述导电膜之间，能够配置n型氮化物半导体层。

作为上述半导体元件，在构成晶体管时，最好设置与上述n型发射区电连接的发射极作为上述第1电极，设置集电极作为上述第2电极，进而，设置与上述p型基区电连接的基极。

作为上述半导体元件，在构成绝缘栅型场效应晶体管时，最好设置与上述n型源区电连接的源电极作为上述第1电极，设置漏电极作为上述第2电极，进而，设置栅电极。

发明的效果

按照本发明，保持主半导体区的结晶性能良好、就能够容易地达到大幅度降低半导体元件的驱动电压。即，无论使用n型氮化物半导体区与否，在与其直接接触或者由中介层介于其间接触的硅基板上使用与现有的相反导电类型的p型硅基板。因此，在n型氮化物半导体区与p型硅基板的异质结界面上存在界面能级。此外，在包括具有量子力学的隧道效应的中介层的情况下，该中介层介于其间，在n型氮化物半导体区与p型硅基板之间存在界面能级。上述界面能级是对n型氮化物半导体区与p型硅基板之间的电传导有贡献的能级。通过存在上述界面能级，p型硅基板内的载流子(电子)经由上述界面能级良好地注入到n型氮化物半导体区中。其结果是，p型硅基板与n型氮化物半导体区之间的异质结的电位势垒，或者由具有量子力学的隧道效应的中介层介于其间n型氮化物半导体区与p型硅基板之间的界面的电位势垒减小，能够大幅度降低半导体元件的驱动电压。当驱动电压降低时，半导体元件的电力损失减小。

此外，能够用将现有的n型硅基板变更为p型硅基板的简单的方法，达到降低驱动电压。因此，不伴随成本的上升，就能够谋求驱动电压的降低。

在本发明的具体例的发光二极管中，在上述第1电极由与上述p型氮化物半导体层电连接的具有光透射性的导电膜和在上述导电膜的表面的一部分上形成的连接用金属层构成的情况下，如上所述，在连接用金属层与半导体区之间产生肖特基势垒，该肖特基势垒发挥阻止发光二极管的正向电流的功能。在具有该肖特基势垒的发光二极管中，当发光二极管的电力损失及发热大时，就降低因肖特基势垒引起的发光二极管正向电流的阻止功能。与此相反，由于本发明的具体例的发光二极管的电力损失及发热小，所以能够抑制因肖特基势垒引起的发光二极管的正向电流的阻止功能的降低，提高发光效率。

附图说明

图1是概略地表示本发明实施例1的发光二极管的剖面图。

图2是表示图1的发光二极管及现有的发光二极管的正向电压与电流的关系的特性图。

图3是表示比较图1的发光二极管的驱动电压的降低效果与现有的发光二极管的能带图。

图4是概略地表示本发明实施例2的发光二极管的剖面图。

图5是概略地表示本发明实施例3的发光二极管的剖面图。

图6是概略地表示本发明实施例4的发光二极管的剖面图。

图7是概略地表示本发明实施例5的发光二极管的剖面图。

图8是概略地表示本发明实施例6的晶体管的剖面图。

图9是概略地表示本发明实施例7的场效应晶体管的剖面图。

符号说明

1 p型硅基板

3 n型缓冲区

4、4a、4b 主半导体区

5、6 第1及第2电极

11 中介层

具体实施方式

接着，参照图1～图9说明本发明的实施方式。

实施例1

图1所示的作为本发明实施例1的半导体元件的发光二极管，具有p型硅基板1、作为n型氮化物半导体区的缓冲区3、用于构成发光二极管的主要部即激活部的主半导体区4、第1及第2电极5、6。主半导体区4由在缓冲区3上依次外延生长的n型氮化物半导体层13、有源层14及p型氮化物半导体层15构成。

p型硅基板1是本发明的特征结构要件，无论在该层上配置n型缓冲区3与否，具有与之相反的导电类型。在该硅基板1中掺杂例如浓度5×10¹⁸cm^-3～5×10¹⁹cm^-3左右的p型杂质即发挥作为受主杂质功能的例如B(硼)等3族元素。因此，硅基板1是具有0.0001Ω·cm～0.01Ω·cm左右的低的电阻率的导电性基板，发挥作为第1及第2电极5、6之间的电流通路的功能。此外，该硅基板1具有能够发挥作为其上的缓冲区3及主半导体区4等的机械支撑基板功能的厚度，例如具有350μm厚度。

作为配置在p型硅基板1上的n型氮化物半导体区的缓冲区3由3族的1个或者多个元素与5族的氮构成的n型氮化物半导体构成。用于该缓冲区3的n型氮化物半导体最好是在用化学式Al_aIn_bGa_1-a-bN表示的n型氮化物半导体中添加了n型杂质(施主杂质)的氮化物半导体，其中，a及b是满足0≤a<1、0≤b<1、a+b<1的数值。即，缓冲区3最好由从AlInGaN(氮化镓铟铝)、GaN(氮化镓)、AlInN(氮化铟铝)、AlGaN(氮化镓铝)中选择的材料构成，由氮化镓铟铝(AlInGaN)构成更好。上述化学式中的a是0.1～0.7，b是0.0001～0.5更好。该实施例1的缓冲区3的组成是Al_0.5In_0.01Ga_0.49N。

缓冲区3主要具有用于使硅基板1的面方位在其上形成的由氮化物半导体区构成的主半导体区4中良好地继承的缓冲功能。为了良好地发挥该缓冲功能，缓冲区3最好具有10nm或以上的厚度。但是，为了防止缓冲区3的裂纹，最好使缓冲区3的厚度为500nm或以下。该实施例1的缓冲区3的厚度是30nm。

氮化物半导体的导带的最低能级与硅的价带的最高能级的能量差比较小。因此，在由n型氮化物半导体构成的缓冲区3与p型硅基板1的界面2中，形成众所周知的类型2或者类型3的异质结。在这里，所谓的类型2的异质结是指在能带图中形成异质结的2个半导体的一个价带的最高能级位于另一个半导体的价带的最高能级与导带的最低能级之间，而且一个导带的最低能级位于比另一个导带的最低能级之上的结。此外，所谓的类型3的异质结是指形成异质结的2个半导体的一个价带的最高能级位于比另一个半导体的导带的最低能级之上的结。在本实施例中，在由n型氮化物类化合物半导体构成的缓冲区3与p型硅基板1的异质结是上述类型2的情况下，该异质结的能带结构能够用图3(B)表示。再有，该图3(B)表示热平衡状态中的n型缓冲区3与p型硅基板1的能带结构。在图3(A)、(B)中，Ev表示价带的最高能级，Ec表示导带的最低能级，Ef表示费米能级。此外，在图3(B)的禁带中所示的Et表示p型硅基板1与n型缓冲区3之间的异质结的界面能级。在形成图3(B)所示的上述类型2的异质结的情况下，在异质结的界面2中存在许多界面能级Et，位于p型硅基板1的价带中的载流子(电子)经由该界面能级Et良好地注入由n型半导体区构成的缓冲区3的导带中。其结果是，p型硅基板1与n型缓冲区3之间的异质结的势垒减小，驱动电压能够大幅度降低。

在形成类型3的异质结的情况下，位于p型硅基板1的价带中的载流子(电子)直接注入到由n型半导体区构成的缓冲区3的导带中。因此，即使在形成类型3的异质结的情况下，在p型硅基板1与由n型半导体区构成的缓冲区3之间的异质结的势垒减小，驱动电压能够大幅度降低。

用于众所周知的双异质结型结构的发光二极管的主半导体区4，由在缓冲区3上依次配置的n型氮化物半导体层13、有源层14、p型氮化物半导体层15构成。再有，也能够将主半导体区4称为发光功能区或者发光激活区。并且，通过在由n型氮化物半导体构成的缓冲区3上保持与主半导体区4的n型氮化物半导体层13同样功能，能够从主半导体区4中省去n型氮化物半导体层13。此外，能够省去有源层14使n型氮化物半导体层13与p型氮化物半导体层15直接接触。

主半导体区4的n型氮化物半导体层13最好忽略n型杂质由用下述化学式表示的材料构成。

Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中，x及y是满足0≤x<1、0≤y<1的数值。

该实施例的n型氮化物半导体层13由与上述化学式中的x＝0、y＝0相当的n型GaN构成，具有厚度约2μm。该n型氮化物半导体层13是也能够称为发光二极管的n包层的氮化物半导体层，具有比有源层14大的能带间隙。

有源层14最好由用下述化学式表示的氮化物半导体构成，Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中，x及y是满足0≤x<1、0≤y<1的数值。

在该实施例中，有源层14用氮化镓铟(InGaN)形成。再有，在图1中，虽然是用一层概略地表示有源层14，但实际上具有众所周知的多量子阱结构。当然，也能够用一层构成有源层14。此外，在该实施例中，虽然在有源层14中没有掺杂决定导电类型的杂质，但是能够掺杂p型或者n型杂质。

配置在有源层14上的p型氮化物半导体层15最好忽略p型杂质由用下述化学式表示的材料构成，Al_xIn_yGa_1-x-yN，其中，x及y是满足0≤x<1、0≤y<1的数值。

在该实施例中，p型氮化物半导体层15用厚度500nm的p型GaN形成。该p型氮化物半导体层15是也能够称为p包层的氮化物半导体层，具有比有源层14还大的能带间隙。

由于构成主半导体区4的n型氮化物半导体层13、有源层14及p型氮化物半导体层15，由缓冲区3介于其间形成在硅基板1上，故其晶体性能比较好。

作为阳极的第1电极5与p型氮化物半导体层15连接，作为阴极的第2电极6与硅基板1的下面连接。再有，为了连接第1电极5，在p型氮化物半导体层15上追加设置接触用的p型氮化物半导体层，在这里能够连接第1电极5。

接着，说明图1的发光二极管的制造方法。

首先，准备在用密勒指数表示的结晶的面方位中具有以(111)面为主面的p型硅基板1。

接着，用HF类的腐蚀液对硅基板1实施众所周知的氢终结处理。

接着，将基板1投入到众所周知的OMVPE(Organometallic VaporPhase Epitaxy)即有机金属气相生长装置的反应室中，升温到例如1170℃。接着，在1170℃下进行10分钟的热清洗，在除去基板1的表面的氧化膜后，设定在1000℃或以上的预定温度，例如设定在1000～1100℃，然后，通过OMVPE法在硅基板1上外延生长缓冲区3。在缓冲区3由n型氮化镓铟铝(AlInGaN)构成的情况下，在反应室中以预定的比例导入众所周知的三甲基铝气体(以下，称为TMA)、三甲基铟气体(以下，称为TMI)、三甲基镓气体(以下，称为TMG)、氨气与硅烷气体(SiH₄)。硅烷气体(SiH₄)的Si(硅)发挥作为n型杂质的功能。

接着，在缓冲区3上通过众所周知的外延生长法依次形成n型氮化物半导体层13、有源层14与p型氮化物半导体层15，得到主半导体区4。例如，为了形成由n型GaN构成的n型氮化物半导体层13，将基板1的温度设定在例如1000～1110℃，例如，以预定的比例将TMG、硅烷(SiH₄)与氨供给反应室。由此，得到由厚度2μm的n型GaN构成的n型氮化物半导体层13。该n型氮化物半导体层13的n型杂质浓度例如是3×10¹⁸cm^-3，比硅基板1的杂质浓度低。在n型氮化物半导体层13开始形成时，由于其下的缓冲区3的晶体性能保持良好，所以主半导体区4的n型氮化物半导体层13具有继承缓冲区3的晶体性能的良好的结晶性能。

接着，在发挥作为n型包层功能的n型氮化物半导体层13上，形成众所周知的多量子阱结构的有源层14。在图1中，为了简化图示，将多量子阱结构的有源层14表示为1层，实际上是由多个势垒层与多个阱层构成，势垒层与阱层交替重复配置，例如4次重复配置。在形成该有源层14时，在形成由n型GaN构成的n型氮化物半导体层13后，停止向OMVPE装置反应室的气体供给，将基板1的温度下降到800℃，然后，以预定的比例在反应室中供给TMG、TMI及氨气，形成例如由In_0.02Ga_0.98N构成的且具有厚度13nm的势垒层，接着，改变TMI的比例，形成例如由In_0.2Ga_0.8N构成的且具有厚度例如3nm的阱层。通过例如4次重复该势垒层及阱层的形成，得到多量子阱结构的有源层14。有源层14继承其下面的n型氮化物半导体层13的结晶性能，具有良好的结晶性能。再有，能够在有源层14中掺杂例如p型的杂质。

接着，将硅基板1的温度上升到1000～1110℃，以预定的比例在OMVPE装置的反应室中供给例如三甲基镓(TMG)、氨气、二茂镁气体(Biscyclopentadienyl，以下，称为Cp₂Mg)，在有源层14上形成由厚度约500nm的p型GaN构成的p型氮化物半导体层15。导入镁(Mg)的浓度例如3×10¹⁸cm^-3，发挥作为p型杂质的功能。

接着，通过众所周知的真空蒸镀法形成第1及第2电极5，完成发光二极管。

图2的特性曲线A表示在第1电极5上施加正、在第2电极6上施加负的正向电压时，在上述实施例1的发光二极管中，流过该发光二极管的电流。图2的B特性曲线表示在使基板1与上述专利文献1同样具有n型硅基板的现有的发光二极管上施加正向电压时的发光二极管的电流。从该图2可知，为了在发光二极管上流过20mA的电流所必需的驱动电压在特性曲线A时是3.36V，在特性曲线B时是3.98V。因此，通过将基板1的导电类型从现有的n型变更到p型这样极其简单的方法，就能够使用于流过20mA电流的驱动电压降低0.62V。

接着，参照图3的能带图说明本实施例的效果。为了进行比较，在图3(A)中表示现有技术的异质结的能带状态，图3(B)表示本发明的异质结的能带状态。

图3(A)所示的现有技术的异质结由n型Si基板(n-Si)与在其上直接外延生长的n型氮化物半导体层(AlInGaN)构成。由于在该图3(A)的异质结中产生具有高度比较高的ΔEb的势垒，故包含该异质结的半导体元件的驱动电压比较大。

与此相反，图3(B)所示的本发明的实施例的p型硅基板1与由n型氮化物半导体(AlInGaN)构成的n型缓冲区3的异质结的势垒比较低，而且，在该异质结的界面2上存在许多界面能级Et。该界面能级Et位于p型硅基板1的价带的最高能级与n型缓冲区3的导带的最低能级之间，具有提高在异质结的界面2的电子及空穴的发生及再结合的功能。将包含该界面能级Et的界面2及其附近区域称为电子及空穴的发生及再结合的促进区。在本实施例中，在图3(B)中界面2的右侧所示的p型硅基板1内的载流子(电子)能够经由该界面能级Et良好地注入到在界面2的左侧所示的n型缓冲区3中。由此，载流子能够有效地从p型硅基板1输送到n型缓冲区3中。其结果是，p型硅基板1与n型缓冲区3之间的异质结对p型硅基板1内的载流子(电子)的势垒比较小，能够大幅度降低发光二极管的正向的驱动电压。

如上所述，按照本实施例，能够良好地保持主半导体区4的结晶性能，容易地达到大幅度降低发光二极管的驱动电压。当驱动电压降低时，发光二极管的功耗减小。

此外，用将现有的n型硅基板变更为p型硅基板1这样简单的方法，能够达到降低发光二极管的驱动电压。因此，不会伴随着发光二极管的成本上升，就能够谋求驱动电压的降低。

实施例2

接着，说明图4所示的实施例2的发光二极管。但是，在图4及后述的图5～图9中，在实质上与图1相同的部分上标注同样符号，省略其说明。

图4的发光二极管设置在图1的缓冲区3上附加了多层结构的缓冲区20的变形的缓冲区3a，除此之外与图1是相同的结构。图4的变形缓冲区3a，是通过在与图1同样形成的n型氮化镓铟铝(AlInGaN)构成的n型缓冲区3上，配置多层结构的缓冲区20而成。图4的多层结构缓冲区20通过重复交替配置的多个第1层21与多个第2层22构成。多个第1层21由包含第1比例的Al(铝)的氮化物半导体形成。多个第2层22由没有包含Al或者包含比上述第1比例小的第2比例的Al的氮化物半导体构成。

上述第1层21最好忽略n型杂质由用下述化学式表示的氮化物半导体构成，Al_xM_yGa_1-x-yN，其中，上述M是从In(铟)与B(硼)中选择的至少1种元素，上述x及y是满足0<x≤1、0≤y<1、x+y≤1的数值。

上述第1层21最好具有能够得到量子力学的隧道效应的厚度，例如具有1～10nm的厚度。再有，在该实施例中，第1层21由n型AlN构成，包含Si(硅)作为n型杂质。但是，第1层21也可以是不包含n型杂质的非掺杂的氮化物半导体。

上述第2层22最好由忽略n型杂质用下述化学式表示的氮化物半导体构成，Al_aM_bGa_1-a-bN，其中，上述M是从In(铟)与B(硼)中选择的至少1种元素，上述a及b是满足0≤a<1、0≤b≤1、a+b≤1、a<x的数值。

第2层22最好包含Si(硅)作为n型杂质。此外，该第2层22最好用与n型缓冲区3同样的氮化物半导体形成，在该实施例中，由n型GaN构成。再有，第2层22的厚度最好是比第1层21更厚而且是不发生量子力学的隧道效应的厚度即10nm或以上。但是，也能够使第2层22成为能够得到量子力学的隧道效应的厚度或者与第1层21相同的厚度。

在形成变形缓冲区3a的多层结构的缓冲区20时，在形成下侧的n型缓冲区3后，例如以TMA(三甲基铝)50μ mol/min、硅烷(SiH₄)20nmol/min、氨0.14mol/min的比例流到反应室中，外延生长厚度5nm的由n型AlN构成的第1层21。然后，停止TMA的供给，继续供给硅烷与氨，与此同时，以50μmol/min的比例流入TMG，外延生长由厚度25nm的n型GaN构成的第2层22。重复进行20次第1及第2层21、22的形成工序，得到多层结构的缓冲区20。在图4中，为了简化图示，第1及第2层21、22仅仅分别表示4层。

如图4所示，当追加多层结构的缓冲区20时，能够改善缓冲区3a的最上面的平坦性。

再有，在图4中，也能够省去缓冲区3，使多层结构的缓冲区20与p型硅基板1直接接触。即，能够设置图4的多层结构的缓冲区20以代替图1及图6～图9的缓冲区3。在使图4的多层结构的缓冲区20与p型硅基板1直接接触的情况下，最好在第1及第2层21、22两者上添加n型杂质。

实施例3

图5所示的实施例3的发光二极管，在图1的p型硅基板1与n型缓冲区3之间配置由包含铝的氮化物半导体构成的中介层11，而且，将n型缓冲区3兼用作为n型包层，其他与图1是同样结构。在图5中，中介层11与n型缓冲区3的组合表示为变形缓冲区3b，有源层14与由InGaN构成的p型氮化物半导体区15a的组合表示为主半导体区4a。

中介层11最好由用下述化学式表示的氮化物半导体构成。

Al_xIn_yGa_1-x-yN

其中，x及y是满足0<x≤1、0≤y<1、0<x+y≤1的数值。在该实施例3中，在中介层11中不包含n型杂质。但是，在中介层11中也能够包含n型杂质。

中介层11是具有比n型缓冲区3的电阻率高的电阻率的膜。该中介层11最好具有1～60nm范围的厚度，此外，更希望具有能够得到量子力学的隧道效应的例如1～10nm的厚度，并且，最好具有2～3nm左右的厚度。在中介层11具有能够得到量子力学的隧道效应的厚度的情况下，对由n型氮化物半导体区构成的n型缓冲区3与p型硅基板1之间的导电性，实质上能够忽略中介层11。因此，p型硅基板1内的载流子(电子)，经由存在于n型缓冲区3与p型硅基板1之间的异质结界面中的界面能级Et，良好地注入到由n型氮化物半导体区构成的n型缓冲区3中。其结果是，与实施例1同样，p型硅基板1与n型缓冲区3之间的异质结的势垒减小，发光二极管的驱动电压能够大幅度降低。中介层11在特性上最好是中介层11与p型硅基板1之间的晶格常数的差比n型缓冲区3或者主半导体区4～4c与p型硅基板1之间的晶格常数的差小的材料。此外，中介层11在特性上最好是中介层与p型硅基板1之间的热膨胀系数的差，比n型缓冲区3或者主半导体区4～4c与p型硅基板1之间的热膨胀系数的差更小的材料。

实施例4

图6所示的实施例4的发光二极管具有变形了的第1电极5a，其他与图1是相同的结构。

图6的第1电极5a由光透射性导电膜51和连接用金属层52构成，上述光透射性导电膜51由在主半导体区4的表面即在p型氮化物半导体层15的表面的几乎全体上形成的氧化铟(In₂O₃)与氧化锡(SnO₂)的混合物即ITO等构成，上述连接用金属层52是在该导电膜51的表面上的大体中央部分上形成的，也能够称为接合焊盘电极。

光透射性导电膜51具有10nm左右的厚度，与p型氮化物半导体层15电阻性接触。连接用金属层52由Ni(镍)、Au(金)、Al(铝)等金属构成，形成允许形成没有图示的导线接合的厚度。由于该连接用金属层52比导电膜51厚，故实质上使在主半导体区4中发生的光不能透过。虽然没有图示，但在连接用金属层52形成时或者在其后的工序中存在连接用金属层52的金属扩散到导电膜51或者导电膜51与主半导体区4的表面的一部分中的区域，在金属层52与主半导体区4之间形成肖特基势垒。

在第1及第2电极5a、6之间施加第1电极5a的电位比第2电极6的电位高的正向电压时，电流从导电膜51流到主半导体区4中。由于连接用金属层52与主半导体区4肖特基接触，所以通过肖特基势垒抑制电流，由连接用金属层52与主半导体区4之间的肖特基势垒介于其间，几乎不流过电流。因此，从导电膜51流入主半导体区4的外周侧部分的电流成分占据第1及第2电极5a、6之间的电流的大部分。基于流过主半导体区4的外周侧部分的电流所发生的光，不被光不透射性的连接用金属层52妨碍地从光透射性导电膜51的上方取出。

如已经说明过的那样，随着温度的上升肖特基势垒劣化，通过肖特基势垒的漏电流增大。由于图6的实施例4的发光二极管与图1的实施例1的发光二极管同样，是使用p型硅基板1构成的发光二极管，所以与实施例1同样正向的驱动电压比较小，功耗及发热比使用现有的n型硅基板的发光二极管小。因此，抑制基于硅基板1及主半导体区4的发热的连接用金属层52与主半导体区4之间的肖特基势垒的劣化，通过肖特基势垒的电流减小。其结果是，在第1及第2电极5a、6之间的电流与使用现有的n型硅基板的发光二极管同样的情况下，流过主半导体区4的外周侧部分的电流对全电流的比例增大，发光效率比使用现有的n型硅基板的发光二极管的发光效率大。此外，在图6的主半导体区4及硅基板1的发热与使用现有的n型硅基板的发光二极管的发热可以相同的情况下，能够在主半导体区4的外周侧部分流过比现有更大的电流，发光效率增大。

即使在该实施例4中，也能够与实施例1同样地得到基于p型硅基板1的效果。

再有，图6的变形的第1电极5a的结构也能够应用于图4及图5所示的实施例2及3的发光二极管。

实施例5

图7所示的实施例5的发光二极管，在图6的实施例4的发光二极管的第1电极5a与主半导体区4之间附加n型辅助氮化物半导体层53，除此之外是与图6相同的结构。n型辅助氮化物半导体层53最好由忽略n型杂质能够用下述化学式表示的材料构成。

Al_xIn_yGa_1-x-yN

其中，x及y是满足0≤x<1、0≤y<1的数值。

图7的实施例5的n型辅助氮化物半导体层53由相当于上述化学式中的x＝0、y＝0的n型GaN构成。

在图7中附加的n型辅助氮化物半导体层53的一个主面与p型氮化物半导体层15接触，另一个主面与光透射性导电膜51接触。在光透射性导电膜51由ITO构成的情况下，由于ITO具有与n型半导体同样的特性，导电膜51与n型辅助氮化物半导体层53的欧姆接触的电阻值极低，在这里的功耗减小，进一步降低正向驱动电压，提高发光效率。

为了防止n型辅助氮化物半导体层53与p型氮化物半导体层15之间的pn结妨碍正向电流，最好使n型辅助氮化物半导体层53的厚度为1～30nm，为5～10nm更好。此外，n型辅助氮化物半导体层53的厚度最好是能够得到量子力学的隧道效应的厚度。

当在图7的第1及第2电极5a、6之间施加正向电压时，电流由n型辅助氮化物半导体层53介于其间从导电膜51流入到p型氮化物半导体层15中。在该实施例5中，在由n型辅助氮化物半导体层53介于其间的状态的p型辅助氮化物半导体层15与导电膜51之间的正向压降，比图6的p型辅助氮化物半导体层15与导电膜51之间的正向压降更小。因此，能够降低正向驱动电压，提高发光效率。

能够将图7的第1电极5a的结构及n型辅助氮化物半导体层53应用于图4及图5的实施例2及3。

实施例6

图8所示的实施例6的晶体管，将用于图1的发光二极管的主半导体区4置换成用于晶体管的主半导体区4b，除此之外与图1是相同的结构。在该图8中，主半导体区4b的n型GaN构成的n型氮化物半导体区13及比它更下侧的结构与图1是相同的。为了构成晶体管，主半导体区4b在作为集电极区发挥功能的n型氮化物半导体区13之外，具有在其上外延生长的由p型氮化物半导体构成的基极区31与在其上外延生长的由n型氮化物半导体构成的发射极区32。在基极区31上连接基极33，在发射极区32上连接作为第1电极的发射极34。p型硅基板1的下面的电极6发挥作为集电极的功能。

由于图8的晶体管是npn型晶体管，所以将其导通驱动时，使集电极6为最高电位，从集电极6侧向着发射极34侧流过电流。即使在该晶体管中，也能够与图1同样地降低2个电极6、34之间的导通时的压降。

实施例7

图9所示的实施例7的绝缘栅型场效应晶体管，将用于图1的发光二极管的主半导体区4置换成用于场效应晶体管的主半导体区4c，除此之外，是与图1相同的结构。在图9的主半导体区4c上，设置由与图1相同的n型GaN构成的n型氮化物半导体区13。在图9中，n型氮化物半导体区13发挥作为漏区的功能。通过在n型氮化物半导体区13中导入p型杂质，设置由p型氮化物半导体构成的体区41，通过在该体区41中导入n型杂质，设置由n型氮化物半导体构成的源区42。在源区42与作为漏区的n型氮化物半导体区13之间的体区41的表面上，绝缘膜43介于其间配置栅电极44。在源区42上连接作为第1电极的源电极45。p型硅基板1的下面的第2电极6发挥作为漏电极的功能。

即使在图9的场效应晶体管中，导通驱动时的源电极45与漏电极6之间的压降也减小。

本发明不是仅限于上述的实施例，例如也能够是下述的变形。

(1)能够将图6及图7的发光二极管的缓冲区3、图8的晶体管的缓冲区3及图9的场效应晶体管的缓冲区3置换成图4的缓冲区3a或者图5的缓冲区3b。

(2)能够将图8及图9的缓冲区3兼用作集电极区或者漏区。

(3)在图4、图6、图7、图8及图9中，能够在缓冲区3与p型硅基板1之间配置具有由与图5同样的AlN等构成的量子力学的隧道效应的中介层11。即，在图4、图6、图7、图8及图9中，能够将点划线11’与p型硅基板1之间作为由AlN等构成的具有量子力学的隧道效应的中介层。

(4)在各实施例的缓冲区3、3a、3b中能够进一步附加其他的半导体层。

(5)虽然在各实施方式中，在缓冲区3、3a、3b中包含In，但也可以是不包含In的层。

(6)能够将本发明应用于具有pn结的整流二极管和具有肖特基势垒电极的肖特基二极管中。此外，能够将本发明应用于在基板1的厚度方向上流过电流的所有半导体元件中。

工业上的可应用性

本发明能够应用于发光二极管、晶体管、场效应晶体管及整流二极管等半导体元件中。

Claims (13)

1.一种氮化物类半导体元件，其特征在于，具备:

具有导电性的p型硅基板；

在上述p型硅基板的一个主面上形成的n型氮化物半导体区；

用于形成配置在上述n型氮化物半导体区上的半导体元件的主要部分的主半导体区；

与上述主半导体区连接的第1电极；以及

与上述p型硅基板的另一个主面连接的第2电极，

上述n型氮化物半导体区形成上述第1电极与上述第2电极之间的电流通路，并且与上述p型硅基板接触，以使电流从该n型氮化物半导体区能够流向上述p型硅基板。

2.如权利要求1所述的氮化物类半导体元件，其特征在于，

上述n型氮化物半导体区是在用化学式Al_aIn_bGa_1-a-bN表示的材料中掺杂了n型杂质的区域，其中，a及b是满足0≤a<1、0≤b<1的数值。

3.一种氮化物类半导体元件，其特征在于，

具备:

具有导电性的p型硅基板；

在上述p型硅基板的一个主面上形成的n型氮化物半导体区；

配置在上述n型氮化物半导体区与上述p型硅基板之间，并且用具有能够得到量子力学的隧道效应的厚度而且具有比上述n型氮化物半导体区大的电阻率的材料形成的中介层；

用于形成配置在上述n型氮化物半导体区上的半导体元件的主要部分的主半导体区；

与上述主半导体区连接的第1电极；以及

与上述p型硅基板的另一个主面连接的第2电极，

上述n型氮化物半导体区及上述中介层形成上述第1电极与上述第2电极之间的电流通路。

4.如权利要求3所述的氮化物类半导体元件，其特征在于，

上述中介层的材料是包含铝的氮化物半导体。

5.如权利要求4所述的氮化物类半导体元件，其特征在于，

上述n型氮化物半导体区是在用化学式Al_aIn_bGa_1-a-bN表示的材料中掺杂了n型杂质的区域，其中，a及b是满足0≤a<1、0≤b<1的数值，

而且，上述中介层是用化学式Al_xIn_yGa_1-x-yN表示的材料构成，其中，x及y是满足0<x≤1、0≤y<1、0<x+y≤1、a<x的数值。

6.如权利要求1所述的氮化物类半导体元件，其特征在于，

还具有:配置在上述n型氮化物半导体区与上述主半导体区之间的多层结构的缓冲区，

上述多层结构的缓冲区包括:由包含第1比例的Al的氮化物半导体构成的多个第1层、以及由不包含Al或者包含比上述第1比例小的第2比例的Al的氮化物半导体构成的多个第2层，上述第1层与上述第2层交替层叠。

7.如权利要求1所述的氮化物类半导体元件，其特征在于，

上述n型氮化物半导体区包括:由包含第1比例的Al的氮化物半导体构成的多个第1层、以及由不含Al或者包含比上述第1比例小的第2比例的Al的氮化物半导体构成的多个第2层，是上述第1层与上述第2层交替层叠的多层结构的缓冲区。

8.如权利要求6或者7所述的氮化物类半导体元件，其特征在于，

上述第1层由用化学式Al_xM_yGa_1-x-yN表示的材料构成，其中，上述M是从In与B中选择的至少一种元素，上述x及y是满足0<x≤1、0≤y<1、x+y≤1的数值，而且，具有能够得到量子力学的隧道效应的厚度，

上述第2层由用化学式Al_aM_bGa_1-a-bN表示的材料构成，其中，上述M是从In与B中选择的至少一种元素，上述a及b是满足0≤a<1、0≤b≤1、a+b≤1、a<x的数值。

9.如权利要求1所述的氮化物类半导体元件，其特征在于，

上述主半导体区是用于形成发光二极管的区域，至少具有有源层和配置在该有源层上的p型氮化物半导体层，上述第1电极是与上述p型氮化物半导体层电连接的阳极，上述第2电极是阴极。

10.如权利要求9所述的氮化物类半导体元件，其特征在于，

上述第1电极包括:由与上述p型氮化物半导体层电连接的具有光透射性的导电膜和在上述导电膜的表面的一部分上形成的连接用金属层。

11.如权利要求10所述的氮化物类半导体元件，其特征在于，

上述主半导体区还具有:配置在上述p型氮化物半导体层上的n型氮化物半导体层，

上述导电膜与上述n型氮化物半导体层连接。

12.如权利要求1所述的氮化物类半导体元件，其特征在于，

上述主半导体区是用于构成晶体管的区域，至少具有p型基区与n型发射区，上述第1电极是与上述n型发射区电连接的发射极，上述第2电极是集电极，进而，具有与上述p型基区电连接的基极。

13.如权利要求1所述的氮化物类半导体元件，其特征在于，

上述主半导体区是用于构成绝缘栅型场效应晶体管的区域，至少具有p型体区和与该p型体区邻接配置的n型源区，上述第1电极是与上述n型源区电连接的源电极，上述第2电极是漏电极，进而，具有栅电极。

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