JP2000091628A

JP2000091628A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2000091628A
Application number: JP25575998A
Authority: JP
Inventors: Michio Kadota; 道雄門田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1998-09-09
Filing date: 1998-09-09
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】セラミック基板の上にＩｎxＧａyＡｌzＮ系
の半導体発光素子を形成することにより、安価なＩｎx
ＧａyＡｌzＮ系半導体発光素子を作製可能にする。【解決手段】アルミナ、ＳｉＣ・ＢｅＯ等のセラミッ
ク（磁器焼結体）基板２の表面に金属膜３を形成し、金
属膜３の上の一部を除く領域にＺｎＯ膜４を形成してＺ
ｎＯ膜４をｃ軸配向させる。ついで、ＺｎＯ膜４の上に
ｐ型ＧａＮ層５とｎ型ＧａＮ層６をエピタキシャル成長
させる。この後、金属膜３の一部露出した領域の上に下
部電極パッド７を設け、ｎ型ＧａＮ層６の上面に部分的
に上部電極８を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体発光素子に関
する。特に、ＩｎxＧａyＡｌzＮ（III族窒化物半導体結
晶）を用いた半導体発光素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】青色光ないし紫外線を発生する発光ダイ
オード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等の半
導体発光素子の材料としては、一般式ＩｎxＧａyＡｌz
Ｎ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦
１、０≦ｚ≦１）で表わされるIII−Ｖ族化合物半導体
が知られている。この化合物半導体は、直接遷移型であ
ることから発光効率が高く、また、Ｉｎ濃度によって発
光波長を制御できることから、発光素子用材料として注
目されている。

【０００３】このＩｎxＧａyＡｌzＮは大型の単結晶を
作製することが困難であるため、その結晶膜の製作にあ
たっては、異なる材料の基板上に成長させる、いわゆる
ヘテロエピタキシャル成長法が用いられており、一般に
はＣ面サファイア基板の上で成長させられている。しか
し、Ｃ面サファイア基板は高価であり、そのうえ大きな
格子不整合があり（例えば、ＧａＮとの格子不整合は、
１６.１％にもなる。）、成長した結晶中には転移密度
１０⁸／ｃｍ²〜１０¹¹／ｃｍ²という多数の結晶欠陥が
生じてしまい、結晶性に優れた良質の結晶膜を得ること
ができないという問題があった。

【０００４】そこで、Ｃ面サファイア基板上にＩｎxＧ
ａyＡｌzＮを成長させる際の格子不整合を小さくし、欠
陥の少ない結晶を得るため、Ｃ面サファイア基板の上に
多結晶又は非晶質のＡｌＮバッファ層や低温成長ＧａＮ
バッファ層を設ける方法が提案されている。この方法に
よれば、Ｃ面サファイア基板とバッファ層の間の格子不
整合が小さくなると共にバッファ層とＩｎxＧａyＡｌz
Ｎの格子不整合も小さくなるので、欠陥の少ない結晶膜
を得ることができる。しかし、この方法では、高価なＣ
面サファイア基板に加え、構造が複雑になることから一
層のコスト高になるという問題があった。

【０００５】また、基板としてＳｉＣ基板も検討されて
おり、ＳｉＣ基板では格子不整合が小さい（例えば、Ｇ
ａＮとの格子不整合は３.５％である）。しかし、Ｓｉ
Ｃ基板は、Ｃ面サファイア基板と比較してもかなり高価
につく（Ｃ面サファイア基板の価格の１０倍程度）とい
う欠点があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述の技術的
問題点を解決するためになされたものであり、その目的
とするところは、セラミック基板の上にＩｎxＧａyＡｌ
zＮ系の半導体発光素子を形成することにより、安価な
ＩｎxＧａyＡｌzＮ系半導体発光素子を作製できるよう
にすることにある。

【０００７】

【発明の開示】本発明の半導体発光素子は、セラミック
基板上にｃ軸配向したＺｎＯ膜を形成し、このＺｎＯ膜
の上にＩｎxＧａyＡｌzＮ（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、
０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）で表わされる化
合物半導体層を形成したことを特徴としている。

【０００８】本発明でいうセラミックとは、磁器焼結体
で結晶性を有しない（あるいは、多結晶の）ものであっ
て、サファイア（Ａｌ₂Ｏ₃）等の単結晶を含まないもの
である。すなわち、本発明のセラミック基板は、非単結
晶性セラミック基板である。

【０００９】本発明の半導体発光素子は、このようなセ
ラミック基板の上に半導体層を形成しているので、安価
な基板を用いることができ、青色〜紫外線の領域の光を
発生する半導体発光素子を安価に製造することができ
る。

【００１０】しかも、ＺｎＯ膜のａ軸方向の格子定数は
ＩｎxＧａyＡｌzＮのａ軸方向の格子定数に近いので、
セラミック基板を用いているにもかかわらず、セラミッ
ク基板のうえにｃ軸配向したＺｎＯ膜を形成することに
より、ＺｎＯ膜の上にＩｎxＧａyＡｌzＮ系の化合物半
導体層をエピタキシャル成長させることができる。

【００１１】基板としてセラミック基板を用いた場合
に、セラミック基板とＩｎxＧａyＡｌzＮ層の熱膨張係
数差が大きい場合には、温度変化によってセラミック基
板とＩｎxＧａyＡｌzＮ層との間に内部応力（熱応力）
が発生するので、これが大きいとセラミック基板とＩｎ
xＧａyＡｌzＮ層との間に剥離が発生する恐れがある。
従って、本発明のセラミック基板の熱膨張係数は、Ｚｎ
Ｏ膜上に形成されたＩｎxＧａyＡｌzＮ層の熱膨張係数
の±５０％以内にであることが好ましい。

【００１２】また、上記セラミック基板としては、７０
０℃以上の耐熱温度を有するものや、比誘電率が４０以
下のものを用いるのが望ましい。前者の理由としては、
ＩｎxＧａyＡｌzＮ層の成膜時の高温に耐える必要があ
るためである。また、後者の理由としては、あまり誘電
率が高くなると、上部電極と下部電極の間に電流が流れ
にくくなるためである。

【００１３】本発明の半導体発光素子においては、セラ
ミック基板とＺｎＯ膜との間に金属膜を形成してもよ
い。セラミック基板とＺｎＯ膜の間に金属膜を形成すれ
ば、絶縁性のセラミック基板を用いている場合でも、こ
の金属膜を発光素子の下部電極として用いることができ
る。よって、発光素子の電極構造を簡単にすることがで
きる。

【００１４】さらに、セラミック基板にスルーホール又
はバイアホールを設け、当該スルーホール又はバイアホ
ールによりセラミック基板上の金属膜をセラミック基板
裏面に導通させれば、下部電極となる金属膜を半導体発
光素子の下面へ引き出すことができ、実装時には金属膜
を基板やヒートシンク等にダイボンドすることができ
る。

【００１５】また、基板として透明なセラミック基板を
用い、金属膜として透明電極膜を用いれば、発光素子で
発生した光を基板と反対側だけでなく、基板側にも取り
出すことができ、両面発光型の発光素子を製作すること
ができる。

【００１６】また、導電性を有するセラミック基板を用
いれば、一般的な発光素子構造と同様、セラミック基板
下面に直接に下部電極を設けることができるので、半導
体発光素子の構造を簡単にすることができる。

【００１７】また、低抵抗のＺｎＯ膜を用いても、Ｚｎ
Ｏ膜を電極として用いることができ、半導体発光素子の
構造を簡単にすることができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１は本発明
の一実施形態による半導体発光素子１を示す断面図であ
って、発光ダイオードや面発光型レーザーダイオード等
の面発光型の発光素子１を表わしている。この半導体発
光素子１にあっては、アルミナ、ＳｉＣ・ＢｅＯ、Ａｌ
Ｎ、３Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂・ＳｉＯ₂、ベリ
リア、ガラスセラミック等の非結晶性の［つまり、結晶
性を有しないか、多結晶の］セラミック（磁器焼結体）
からなるセラミック基板２の表面にＡｌやＡｕ等の金属
膜３を形成し、金属膜３の上の一部を除く領域にＺｎＯ
膜４を形成してＺｎＯ膜４をｃ軸配向させている。ここ
で、ＺｎＯ膜４は低抵抗のものが望ましい。ついで、Ｚ
ｎＯ膜４をバッファ層として、その上にｐ型ＧａＮ層５
とｎ型ＧａＮ層６をエピタキシャル成長させる。この
後、金属膜３の一部露出した領域の上に下部電極パッド
７を設け、ｎ型ＧａＮ層６の上面に部分的に上部電極８
を形成する。

【００１９】しかして、上部電極８と下部電極パッド７
の間に電圧を印加すると、上部電極８からｐ型ＧａＮ層
５とｎ型ＧａＮ層６に電流が注入されて発光し、その界
面から出た光はｎ型ＧａＮ層６の上面の上部電極８が設
けられていない領域から外部へ出射される。

【００２０】このように発光素子１の基板としてアルミ
ナ等のセラミック基板２を用いれば、発光素子１の基板
コストを安価にすることができる。しかも、セラミック
基板２を用いていても、セラミック基板２の上方にｃ軸
配向したＺｎＯ膜４を形成することにより、その上に結
晶性の良好なｐ型ＧａＮ層５やｎ型ＧａＮ層６をエピタ
キシャル成長させることができる。また、セラミック基
板２とＺｎＯ膜４の間に金属膜３を形成しているので、
この金属膜３を下部電極として用い、上部電極８と金属
膜３の間に電圧を印加することができ、発光素子１の電
極構造も簡単にすることができる。

【００２１】もっとも、セラミック基板２とＧａＮ層
５，６の熱膨張係数の違いにより大きな内部応力が発生
したり、それによって剥離したりするのを防止するため
には、セラミック基板２の熱膨張係数はＧａＮ層５，６
の熱膨張係数の±０.５倍、つまり０.５倍〜１.５倍が
望ましい。すなわち、ＧａＮ層５，６の熱膨張係数が
５.５９×１０^-6／℃であるとすると、セラミック基板
２の熱膨張係数は、２.７９５×１０^-6／℃〜８.３８５
×１０^-6／℃とすればよい。また、セラミック基板２
は、耐熱温度が７００℃以上、比誘電率が４０以下のも
のが望ましい。

【００２２】（第２の実施形態）図２は本発明の別な実
施形態による面発光型の半導体発光素子１１を示す断面
図である。この半導体発光素子１１にあっては、アルミ
ナ、ＳｉＣ・ＢｅＯ、ＡｌＮ、３Ａｌ₂Ｏ₃・２Ｓｉ
Ｏ₂、ＺｒＯ₂・ＳｉＯ₂、ベリリア、ガラスセラミック
等の非結晶性のセラミック（磁器焼結体）からなるセラ
ミック基板２の一部領域の表面にＰｔやＡｕ等の金属膜
３を形成し、金属膜３の上にＺｎＯ膜４をｃ軸配向させ
ている。ここで、ＺｎＯ膜４は低抵抗のものが望まし
い。ついで、ＺｎＯ膜４をバッファ層として、その上に
ｐ型ＧａＮ層５とｎ型ＧａＮ層６をエピタキシャル成長
させる。

【００２３】一方、金属膜３の下面においてセラミック
基板２には予めスルーホール又はバイアホール１２が形
成されており、スルーホール又はバイアホール１２を介
して金属膜３をセラミック基板２の下面（もしくは、セ
ラミック基板２の下面に設けられた電極パッド）に導通
させている。また、ｎ型ＧａＮ層６の上面に部分的に上
部電極８を形成する。

【００２４】第１の実施形態では、セラミック基板２の
下面をダイボンド等によって回路基板等に固定した後、
下部電極パッド７と回路基板のパッド部とをワイヤボン
ディングする必要があるが、この実施形態では、発光素
子１１を回路基板等にダイボンドすることによって発光
素子１１を固定すると同時に下部電極（金属膜３）の電
気的接続も行なうことができ、発光素子の実装形態を簡
略にすることができる。なお、セラミック基板２の空き
部分には、他の微小な電子部品を実装してもよい。

【００２５】（第３の実施形態）図３は本発明のさらに
別な実施形態による面発光型の半導体発光素子１３を示
す断面図である。この半導体発光素子１３にあっては、
非結晶性のセラミック（磁器焼結体）からなるセラミッ
ク基板２の上面、側面及び下面の一部領域にＰｔやＡｕ
等の金属膜３を形成し、金属膜３の上面にＺｎＯ膜４を
ｃ軸配向させている。ここでも、ＺｎＯ膜４は低抵抗の
ものが望ましい。ついで、ＺｎＯ膜４をバッファ層とし
て、その上にｐ型ＧａＮ層５とｎ型ＧａＮ層６をエピタ
キシャル成長させ、ｎ型ＧａＮ層６の上に上部電極８を
形成する。

【００２６】この実施形態では、金属膜３をセラミック
基板２の側面を経て下面まで延長してセラミック基板２
の下面に接続パッド部１４を設けているので、この発光
素子を回路基板等に実装し、セラミック基板２の下面の
接続パッド部１４を回路基板のパッド部等にダイボンド
することで、下部電極である金属膜３の電気的接続を行
なえ、発光素子の実装形態を簡略にすることができる。

【００２７】（第４の実施形態）図４は本発明のさらに
別な実施形態による面発光型の半導体発光素子１５を示
す断面図である。この実施形態では、例えば第１の実施
形態で説明した発光素子において、セラミック基板２を
透光性Ａｌ₂Ｏ₃のような透明なセラミック材料によって
形成している。また、金属膜３もＩＴＯ膜のような透明
電極によって形成している。

【００２８】従って、ｐ型ＧａＮ層５とｎ型ＧａＮ層６
の間で発生した光は、図４に示すように、セラミック基
板２の上面と下面から外部へ出射され、両面発光型の発
光素子を実現することができる。

【００２９】（第５の実施形態）図５は本発明のさらに
別な実施形態による面発光型の半導体発光素子１６を示
す断面図である。この半導体発光素子１６にあっては、
非結晶性のセラミック（磁器焼結体）からなるセラミッ
ク基板２の上に低抵抗のＺｎＯ膜４をｃ軸配向させ、Ｚ
ｎＯ膜４をバッファ層として、その上にｎ型ＧａＮ層６
とｐ型ＧａＮ層５をエピタキシャル成長させている。

【００３０】ここで、ＺｎＯ膜４を低抵抗化するために
は、III族又はＶ族の不純物元素をドープすればよい。
例えば、III族元素としては、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、
Ｔｌ、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ａｃなどをドープすることがで
き、Ｖ族元素では、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂｉ、Ｖ、Ｎｂ、
Ｔａなどをドープすることができる。不純物をドープす
る方法としては、ＺｎＯ膜４を成膜するためのターゲッ
トに不純物をドープしておいてもよい。

【００３１】そして、ＺｎＯ膜４の上に下部電極パッド
７を形成し、ｐ型ＧａＮ層５の上に上部電極８を形成す
る。この上部電極８と下部電極パッド７に電圧を印加す
ると、低抵抗のＺｎＯ膜４を通してｎ型ＧａＮ層６とｐ
型ＧａＮ層５に電圧が印加され、ｎ型ＧａＮ層６とｐ型
ＧａＮ層５の界面で光が発生する。

【００３２】この実施形態では、低抵抗のＺｎＯ膜４
に、ＧａＮ層６，５を成長させるためのバッファ層の機
能と同時に下部電極の機能を持たせているので、下部電
極として用いていた金属膜を不要にすることができ、発
光素子１６の構造を簡略にすることができる。

【００３３】（第６の実施形態）図６は本発明のさらに
別な実施形態による面発光型の半導体発光素子１７を示
す断面図である。この半導体発光素子１７にあっては、
導電性を有する非結晶性のセラミック（磁器焼結体）か
らなるセラミック基板２の上にＺｎＯ膜４をｃ軸配向さ
せ、ＺｎＯ膜４をバッファ層として、その上にｐ型Ｇａ
Ｎ層５とｎ型ＧａＮ層６をエピタキシャル成長させてい
る。このＺｎＯ膜４も低抵抗のものが好ましい。

【００３４】そして、セラミック基板２の下面（もしく
は、セラミック基板２の上面の露出領域でもよい）に下
部電極１８を形成し、ｎ型ＧａＮ層６の上に上部電極８
を形成する。この上部電極８と下部電極１８に電圧を印
加すると、セラミック基板２を通してｐ型ＧａＮ層５と
ｎ型ＧａＮ層６に電圧が印加され、ｐ型ＧａＮ層５とｎ
型ＧａＮ層６の界面で光が発生する。

【００３５】この実施形態では、導電性を有するセラミ
ック基板２を用いているので、一般的な構造のＬＥＤの
ように、基板下面に下部電極１８を設けることができ、
発光素子１７の構造を簡略にすることができる。

【００３６】なお、上記実施形態では、ｐ型ＧａＮ層５
とｎ型ＧａＮ層６によって発光部を構成しているが、Ｉ
ｎＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等を用いてもよ
い。また、ＩｎxＧａyＡｌzＮ系の半導体層によって構
成されたダブルヘテロ構造を有する発光素子に本発明を
適用してもよい。さらに、上記各実施形態では、面発光
型の実施形態を説明したが、レーザーダイオードや端面
出射型の発光ダイオード等の端面出射型の半導体発光素
子にも本発明を適用することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による半導体発光素子の構
造を示す断面図である。

【図２】本発明の別な実施形態による半導体発光素子の
構造を示す断面図である。

【図３】本発明のさらに別な実施形態による半導体発光
素子の構造を示す断面図である。

【図４】本発明のさらに別な実施形態による半導体発光
素子の構造を示す断面図である。

【図５】本発明のさらに別な実施形態による半導体発光
素子の構造を示す断面図である。

【図６】本発明のさらに別な実施形態による半導体発光
素子の構造を示す断面図である。

【符号の説明】

２セラミック基板３金属膜４ＺｎＯ膜５ｐ型ＧａＮ層６ｎ型ＧａＮ層７下部電極パッド８上部電極１８下部電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セラミック基板上にｃ軸配向したＺｎＯ
膜を形成し、このＺｎＯ膜の上にＩｎxＧａyＡｌzＮ
（ただし、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、
０≦ｚ≦１）で表わされる化合物半導体層を形成したこ
とを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】前記セラミック基板の熱膨張係数は、前
記ＺｎＯ膜上のＩｎxＧａyＡｌzＮ層の熱膨張係数の±
５０％以内にあることを特徴とする、請求項１に記載の
半導体発光素子。
【請求項３】前記セラミック基板と前記ＺｎＯ膜との
間に金属膜が形成されていることを特徴とする、請求項
１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項４】前記セラミック基板にスルーホール又は
バイアホールを設け、当該スルーホール又はバイアホー
ルにより前記セラミック基板上の金属膜をセラミック基
板裏面に導通させたことを特徴とする、請求項３に記載
の半導体発光素子。
【請求項５】前記セラミック基板として透明なセラミ
ック基板を用い、前記金属膜として透明電極膜を用いて
いることを特徴とする、請求項３に記載の半導体発光素
子。
【請求項６】前記セラミック基板として、導電性を有
するセラミック基板を用いていることを特徴とする、請
求項１又は２に記載の半導体発光素子。
【請求項７】前記ＺｎＯ膜は、低抵抗であることを特
徴とする、請求項１又は２に記載の半導体発光素子。