JP2001274457A

JP2001274457A - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP2001274457A
Application number: JP2000083517A
Authority: JP
Inventors: Hideo Kawanishi; 英雄川西; Masato Horie; 正人堀江; Tetsuji Moku; 哲次杢
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2000-03-24
Filing date: 2000-03-24
Publication date: 2001-10-05

Abstract

(57)【要約】【課題】消費電力及び動作電圧の低い半導体発光素子
の低コスト化が困難であった。【解決手段】シリコンから成る低抵抗性基板１１の上
にＡｌＮ層１２ａとＩｎ _0.2Ｇａ_0.8Ｎ層１２ｂとを交互
に複数層形成したバッファ層１２を設ける。バッファ層
１２の上に窒化ガリウムから成るｎ形半導体領域１３、
窒化ガリウムインジウムからなる活性層１４、窒化ガリ
ウムから成るｐ形半導体領域１５を順次に形成する。ｐ
形半導体領域１５の上にアノード電極１７を設け、低抵
抗性基板１１にカソード電極１８を設ける。

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、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、Ｉｎ
ＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた青
色発光素子（青色発光ダイオード）は公知である。この
種の発光素子は、一般に窒化ガリウム系化合物半導体が
サファイアから成る絶縁性基板上に形成されており、一
対の電極が素子の上面に配置された構造を有する。即
ち、従来の発光素子は図１に示すように、サファイアか
ら成る絶縁性基板１、この絶縁性基板１の一方の主面
（上面）に周知の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ＧａＮ）から
成るｎ形半導体領域２、このｎ形半導体領域２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３、
及びこの活性層３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４を備えた半導体基体５と、
この半導体基体５の一方の主面（上面）においてｎ形半
導体領域２に接続されたカソード電極６と、ｐ形半導体
領域４に電気的に接続されたアノード電極７とから成
る。図１の発光素子は絶縁性基板１の他方の主面（下
面）が回路基板やリードフレームに固着され、活性層３
にて生じた光は半導体基体５の一方の主面側に導かれ、
この一方の主面のうち電極６、７の形成されていない領
域から外部に放出される。

【０００３】ところで、図１の発光素子におけるサファ
イアから成る基板１は絶縁体であるため、半導体基体５
の一方の主面側に一対の電極６、７が形成されており、
ｎ形半導体領域２の水平方向に電流が流れる。このｎ形
半導体領域２は厚さが４〜５μｍ程度の肉薄層であるた
め水平方向における電流通路の抵抗はかなり大きなもの
となり、図１の発光素子では、消費電力及び動作電圧が
比較的大きくなる。この種の問題を解決するために、本
件出願人は、図２に示すように、低抵抗のシリコン又は
シリコン化合物から成る基板１１、バッファ層１２´、
ＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｎ形半導体領域１３、
ｐ形のＩｎＧａＮ（窒化ガリウムインジウム）から成る
活性層１４、及びＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｐ形
半導体領域１５を順次に積層した構成の板状基体１６
と、この基体１６の一方の主面（上面）即ちｐ形半導体
領域１５に電気的に接続されたアノ−ド電極１７と、基
板１７に電気的に接続されたカソ−ド電極１８とを備
え、バッファ層12´が５〜１００オングストロ−ムの厚
さのＡｌ_xＧａ_1-xＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１を満足する
数値）層１２ａ´と５〜３００オングストロ−ムの厚さ
のＧａＮ層１２ｂ´とを交互に複数回繰返して積層した
ものから成る半導体発光素子を試作した。図２の半導体
発光素子によれば、シリコン等から成る低抵抗性基板１
１にカソード電極１８を接続するので、アノ−ド電極１
７とカソ−ド電極１８を半導体基体１６を挟んで対向配
置することができる。この結果、電流通路が半導体基体
１６の厚み方向に形成され、電流経路の抵抗値が下が
り、消費電力及び動作電圧の低減化が達成される。ま
た、図２の半導体発光素子では、基板１１にシリコン等
を使用しているにも拘らずＡｌ_xＧａ_1-xＮ層１２ａ´と
ＧａＮ層１２ｂ´とから成るバッファ層１２´を介して
窒化ガリウム系化合物の半導体領域を設けるので、バッ
ファ層12´の上面に比較的良好な半導体領域を形成する
ことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図2の半導
体発光素子ではバッファ層12´がＡｌ_xＧａ_1-xＮ層１２
ａ´とＧａＮ層１２ｂ´とにより形成されており、Ａｌ
_xＧａ_1-xＮ層１２ａ´とＧａＮ層１２ｂ´はいずれもシ
リコン等から成る基板よりも熱膨張係数が大きいため、
バッファ層12´に引っ張り性の応力に基づく歪が発生し
易い。この歪はバッファ層12´上面に設けられた窒化ガ
リウム系化合物半導体領域(ｎ形クラッド層)を比較的厚
く形成すれば緩和できるが、この半導体領域に比較的高
密度にクラックが生じ易いことが分かった。このように
半導体領域にクラックが生じると、歪みが緩和される。
しかし、窒化ガリウム系化合物半導体領域にクラックが
生じると、良好な発光特性を得ることができない。

【０００５】そこで、本発明の目的は、発光特性の向
上、消費電力及び動作抵抗の低減等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。

【０００６】

【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、シリコン又はシリコン
化合物から成る低抵抗性基板と、前記低抵抗性基板の一
方の主面上に形成されたバッファ層と、前記バッファ層
の上に形成されており且つ窒化ガリウム又は窒素とガリ
ウムを含む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形
成されており且つ窒化ガリウム又は窒素とガリウムを含
む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、前記第２の半導体領域の表面の一部に形成された第
１の電極と、前記低抵抗性基板の他方の主面に形成され
た第２の電極とを備え、前記バッファ層はＡｌ_xＧａ_1-x
Ｎ（但し、ｘは０＜ｘ≦１を満足する数値）層即ちＡｌ
ＧａＮ（窒化ガリウム・アルミニウム層）又はＡｌＮ
（窒アルミニウム層）とＩｎ_yＧａ_1-yＮ（但し、ｙは０
＜ｙ≦１を満足する数値）層とを有していることを特徴
とする半導体発光素に係わるものである。

【０００７】なお、請求項２に示すように、活性層を設
けることが望ましい。また、請求項３に示すようにバッ
ファ層をＡｌ_xＧａ_1-xＮ層とＩｎ_yＧａ_1-yＮ層とを交互
に複数回積層したものとすることが望ましい。また、請
求項４に示すようにＡｌ_xＧａ_1-xＮ層の厚みを５〜１０
０オングストロ−ム、ＩｎｙＧａ_1-yＮ層の厚みを５〜
３００オングストロ−ムとすることが望ましい。

【０００８】

【発明の効果】各請求項の発明は次の効果を有する。（１）基板を比較的安価なシリコン又はシリコン化合
物の基板としているにも拘らず、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層と
Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ層とから成るバッファ層を介して窒化ガ
リウム又は窒化ガリウム系化合物体の半導体領域を形成
するので、良好な発光特性即ち発光効率を得ることがで
きる。（２）バッファ層はＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層とＩｎ_yＧａ
_1-yＮ層とから成るので、このバッファ層がシリコン又
はこの化合物から成る基板の結晶方位を良好に引き継ぐ
ことができ、このバッファ層の上にＧａＮ又はＧａＮ系
化合物を良好に形成することができ、良好な発光特性を
得ることができる。（３）バッファ層をＡｌ_xＧａ_1-xＮ層とＩｎ_yＧａ_1-y
Ｎ層との積層構造とすることによって、バッファ層に応
力に基づく歪みが発生することを良好に防止でき、結果
としてＧａＮ又はＧａＮ系半導体領域を良好に形成する
ことができ、良好な発光特性を得ることができる。（４）低抵抗の基板を使用し、電流通路を半導体基体
の厚み方向としているので、電流通路の抵抗値を下げて
消費電力及び動作電圧の低減化を図ることができる。ま
た、請求項２の発明によれば活性層の働きで発光特性を
更に良くすることができる。また、請求項３の発明によ
れば、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層が基板上に配置され且つＩｎ_yＧａ_1-yＮ
（但し、ｙは０＜ｙ≦１を満足する数値）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、請求項４の発明に
よれば、バッファ層のＡｌ_x Ｇａ_1-xＮ層及びＩｎ_yＧ
ａ_1-yＮ（但し、ｙは０＜ｙ≦１を満足する数値）層が
量子力学的なトンネル効果を生じる厚みに設定されてい
るので、バッファ層の抵抗値の増大を抑えて消費電力及
び動作電圧を低くすることができる。

【０００９】

【実施形態及び実施例】次に、図３〜図７を参照して本
発明の実施形態及び実施例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。

【００１０】図３及び図４に示す本発明の実施例に従う
青色発光ダイオードは、シリコン基板から成る低抵抗性
半導体基板（以下、低抵抗性基板という）１１、バッフ
ァ層１２、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
（窒化ガリウムインジウム）から成る活性層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を順次に積層した構成の板状基
体１６と、この基体１６の一方の主面（上面）即ちｐ形
半導体領域１５に電気的に接続されたアノード電極１７
と、この基体１６の他方の主面（下面）に隣接する低抵
抗性基板に電気的に接続されたカソード電極１８を備え
ている。なお、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は低抵抗性基板１
１の上に順次にそれぞれの結晶方位を揃えて成長させた
ものである。

【００１1】低抵抗性基板１１は、ｎ形導電形不純物と
して例えばＡｓ（砒素）が５×１０ ¹⁸ｃｍ^-3〜５×１０
¹⁹ｃｍ^-3程度の高濃度で導入され且つ（１１１）面を有
するｎ+ 形のシリコン単結晶基板から成り、その抵抗率
は０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍ程度であっ
て、実質的に導電体と呼ぶことができるものである。従
って、この低抵抗性基板１１はカソード電極１８と共に
発光ダイオードのカソード電極として機能する。なお、
本実施例では、ｐ形半導体領域１５、活性層１４及びｎ
形半導体領域１３から成る発光部の支持体として機能す
るように低抵抗性基板１１の厚みを約３５０μｍに設定
した。

【００１2】低抵抗性基板１１の一方の主面全体を被覆
するように形成されたバッファ層１２は、ＡｌＮ（窒化
アルミニウム）層１２ａとＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層（窒化イ
ンジウムガリウム）層１２ｂとが交互に積層されたもの
である。即ち、図３及び図４では図示を簡略化するため
に、バッファ層１２を構成するものとして、Ａｌ_xＧａ
_1-XＮのｘの値を１にしたものに相当するＡｌＮ層１２
ａとＩｎ_yＧａ_1-yＮのｙの値を0.2にしたものに相当す
るＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層１２ｂとがそれぞれ２層のみ示さ
れ、これ等が交互に配置されているが、実際のバッファ
層１２は、厚さ約５０オングストロームの絶縁性の極薄
膜のＡｌＮ層１２ａと、厚さ約１５０オングストローム
のｎ形半導体領域の極薄膜のＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層１２ｂ
とをそれぞれ５層有し、これ等が交互に配置された合計
１０層の積層体であり、全体で約１０００オングストロ
ームの膜厚を有する。このバッファ層１２は周知のＭＯ
ＣＶＤ（有機金属化学気相成長方法）によってＡｌＮ層
とＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層を順次連続して積層形成したもの
である。即ち、シリコン単結晶の低抵抗性基板１１をＭ
ＯＣＶＤ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）ガスを約２７秒間供給して、低抵抗性基
板１１の一方の主面に厚さ約５０オングストロームのＡ
ｌＮ層を形成する。本実施例では低抵抗性基板１１の加
熱温度を８００℃とした後に、ＴＭＡガスの流量即ちＡ
ｌの供給量を約６３μｍｏｌ／分、ＮＨ₃ ガスの流量即
ちＮＨ₃ の供給量を約０．１４ｍｏｌ／分とした。続い
て、低抵抗性基板１１の加熱温度を８００℃とし、ＴＭ
Ｉ（トリメチルインジウム）ガスと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１５秒間供給して、低抵抗性基板１１の一方の主
面に形成された上記ＡｌＮ層の上面に厚さ約１５０オン
グストロームのｎ形Ｉｎ_0.2のＧａ_0.8Ｎ層を形成する。
ここで、ＳｉＨ₄ ガスは形成膜中に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、ＴＭ
Ｉガスの流量即ちＩｎの供給量を約５０μｍｏ１／分、
ＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量を約６.３μｍｏｌ
／分、ＮＨ₃ ガスの流量即ちＮＨ₃ の供給量を約０．１
４ｍｏｌ／分、ＳｉＨ₄ ガスの流量即ちＳｉの供給量を
約２１ｎｍｏｌ／分とした。本実施例では、上述のＡｌ
Ｎ層とＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層の形成を５回繰り返してＡｌ
Ｎ層１２ａとＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層１２ｂとが交互に１０
層積層されたバッファ層１２を形成する。勿論ＡｌＮ層
１２ａ、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層１２ｂをそれぞれ２５層等
の任意の数に変えることもできる。

【００１３】バッファ層１２の上面に設けられたｎ形半
導体領域１３、活性層１４及びｐ形半導体領域１５は周
知のＭＯＣＶＤ法によって順次連続して形成したもので
ある。即ち、上面にバッファ層１２が形成された低抵抗
性基板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、シランガスは形成膜中に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が形成された低抵抗性基板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 ／分、ＮＨ₃ ガスの流量即ち
ＮＨ₃ の供給量を約５３．６ｍmol ／分、シランガスの
流量即ちＳｉの供給量を約１．５ｎmol ／分とした。ま
た、本実施例では、ｎ形半導体領域１３の厚みを約２μ
ｍとした。図１の従来の発光ダイオードのｎ形半導体領
域２の厚みは約４．０〜５．０μｍであるから、これに
比べて図２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３×１０ ¹⁸ｃｍ^-3であり、低抵抗性基板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が介在することにより、比較的低温で成
長させる緩衝層を介さずに比較的高温でこのｎ形半導体
層１３をバッファ層１２の上面に直接に形成することが
可能になる。

【００１４】続いて、低抵抗性基板１１の加熱温度を８
００℃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から成る活性層１４を
形成する。ここで、Ｃｐ₂ Ｍｇガスは形成膜中にｐ形導
電形の不純物としてのＭｇ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
／分、ＮＨ₃ガスの流量を約６７ｍmol ／分、ＴＭＩガ
スの流量即ちＩｎの供給量を約４５μmol ／分、Ｇｐ2
Ｍｇガスの流量即ちＭｇの供給量を約１２ｎmol ／分と
した。また、活性層１４の厚みは図１の発光ダイオード
の活性層３の厚みと同様に約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、低抵抗性基板１１の加熱温度を１
０４０℃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 ／
分、アンモニアガスの流量を約５３．６μmol ／分、Ｃ
ｐ₂ Ｍｇガスの流量を約０．１２μmol ／分とした。ま
た、ｐ形半導体領域１５の厚みは図１の発光ダイオード
のｐ形半導体領域４の厚みと同様に約０．５μｍとし
た。なお、ｐ形半導体領域１５の不純物濃度は約３×１
０¹⁸ｃｍ^-3である。

【００１６】上記のＭＯＣＶＤ成長方法によれば、バッ
ファ層１２の上面にこのバッファ層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の結晶方位を揃えて形成することができる。単結
晶シリコン基板から成る低抵抗性基板１１の結晶方位を
良好に引き継いでいるバッファ層１２の上にこれを核と
してｎ形半導体領域１３、活性層１４及びｐ形半導体領
域１５が順次にエピタキシャル成長される。

【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３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、
半導体基体１６の上面に形成せずに、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
面に形成し、低抵抗性基板１１の下面全体に低抵抗接触
させる。

【００１９】図２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、従来では他の発光素子に比べて高価であ
ったＧａＮ系発光ダイオードのコスト低減が可能とな
る。（２）シリコンから成る基板１１に発光素子を形成で
きるため、基板１１内に他の電子素子を形成することが
でき、ＧａＮ系半導体発光素子がその他の半導体素子と
同一の半導体基板内に集積された半導体集積回路を容易
に実現できる。（３）良好な発光特性が得られる。この理由は次のと
おりである。発光特性が良好に得られる第１の理由は、
低抵抗性基板１１の一方の主面に形成されたＡｌＮ層１
２ａ及びＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層１２ｂから成るバッファ層
１２がシリコンから成る低抵抗性基板１１の結晶方位を
良好に引き継ぐことができ、このバッファ層１２を核と
してその一方の主面にｎ形半導体領域１３、活性層１４
及びｐ形半導体領域１５を順次積層形成することによっ
て、これらのＧａＮ系半導体領域を低抵抗性基板１１の
一方の主面に良好に形成することができることにある。
発光特性が良好に得られる第２の理由は、低抵抗性基板
１１とＧａＮ系半導体領域との間にＡｌＮ層１２ａ及び
Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ層１２ｂが複数積層されて成るバッファ
層１２を介在させることによって、バッファ層１２に応
力に基づく歪みが発生することを良好に防止でき、且つ
バッファ層１２の上面に形成されるＧａＮ系半導体領域
にクラックが生じることはほとんどないことにある。即
ち、図２に示すように低抵抗性基板１１とＧａＮ系半導
体領域との間にＡｌ_xＧａ_1-xＮ層としてのＡｌＮ層１２
ａ´及びＧａＮ層１２ｂ´が複数積層されて成るバッフ
ァ層１２´を介在させた場合には、バッファ層１２´の
歪みを緩和するためにＧａＮ系半導体領域にクラックが
生じ易い。一方、本発明に従って低抵抗基板１１とＧａ
Ｎ系半導体領域との間にＡｌ_xＧａ_1-xＮ層としてのＡｌ
Ｎ層１２ａ及びＩｎ _yＧａ_1-yＮ層１２ｂが複数積層され
て成るバッファ層１２を介在させた場合には、ＧａＮ系
半導体領域にクラックをほとんど生じさせることなく、
バッファ層１２の歪み緩和が可能である。この理由は必
ずしも明らかではないが、Ｉｎ_yＧａ₁ _-ｙＮのある結晶
面のスリップ等によりバッファ層１２に内在した歪みを
開放、緩和しているためと考えられる。図５の実線Ａは
本発明に従うバッファ層１２の上にＧａＮから成るｎ形
半導体領域１３を種々の厚さに形成した時にＧａＮ半導
体領域１３の表面に生じたクラックの密度を示し、図５
の点線Ｂは、図２の構造の発光ダイオ−ドに従うバッフ
ァ層１２´の上にＧａＮから成るｎ形半導体領域１３を
種々の厚さに形成したときにＧａＮ半導体領域１３の表
面に生じたクラックの密度を示す。この比較から明らか
なように本実施例の発光ダイオ−ドによれば、ＧａＮ半
導体領域のクラック密度を著しく小さくできる。また、
本実施例の発光ダイオ−ドによれば、図２の発光ダイオ
−ドに比べてバッファ層１２の上に形成するＧａＮ系半
導体領域の厚みを比較的薄くしても、バッファ層に生じ
る歪みを良好に緩和することができる。図６の実線Ｃ１
は本発明に従うバッファ層１２のＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層１
２ｂの厚さを７５オングストロ−ムとし、このバッファ
層１２の上に図６にＧａＮ半導体領域１３を種々の厚さ
に形成した場合のＧａＮ半導体領域１３のＣ軸の格子定
数Ｃｏ即ちＣ軸長を示し、図６の実線Ｃ２は本発明に従
うバッファ層１２のＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ層１２ｂの厚さを
１５０オングストロ−ムとし、このバッファ層１２の上
にＧａＮ半導体領域１３を種々の厚さに形成した場合の
ＧａＮ半導体領域１３のＣ軸の格子定数を示し、図６の
点線Ｄは図２の構成のバッファ層１２´の上にＧａＮ半
導体領域１３を種々の厚さに形成した場合のＧａＮ半導
体領域１３のＣ軸の格子定数を示し、点線ＥはＧａＮバ
ルク即ち理想的なＧａＮの格子定数５．１８５オングス
トロームを示す。なお、図６の横軸の目盛は対数目盛で
ある。図６のＡ〜Ｅの比較から明らかなように、本実施
例に従うバッファ層１２を設けると、この上に形成され
るＧａＮ半導体領域又はＧａＮ系半導体領域の膜厚が1
μｍ程度の比較的小さい場合であっても、この格子定数
がＧａＮバルクの格子定数に同じになるので、ＧａＮ又
はＧａｎ系半導体領域の歪みが完全に緩和されているこ
とが分かる。この結果、本実施例によれば良好な発光特
性を有する発光ダイオードを得ることが可能になる。（４）バッファ層１２の上に結晶性及び平坦性に優れ
たＧａＮ系半導体領域を形成することができる。即ち、
シリコン半導体基板１１の一方の主面にＧａＮ半導体層
又はＩｎＧａＮ層のみによってバッファ層を形成した場
合、ＧａＮ又はＩｎＧａＮとシリコンとは格子定数の差
が大きいため、このバッファ層の上に平坦性に優れたＧ
ａＮ系半導体領域を形成することができない。一方、本
発明に従ってシリコン基板１１とＧａＮ系半導体領域と
の間にシリコンと格子定数差が比較的小さいＡｌ_xＧａ
_1-xＮ層としてのＡｌＮ層１２ａが複数層形成されたバ
ッファ層１２を介在させれば、その上面に平坦性に優れ
たＧａＮは導体領域１３等を形成することができる。（５）消費電力・動作抵抗が小さい青色発光ダイオ−
ドを実現することができる。即ち、基板１１をシリコン
等から成る低抵抗性基板から構成しているので、電流通
路を半導体基体１６の厚み方向に形成することができ、
図１の発光ダイオドに比べて電流経路の抵抗値を下げて
消費電力及び動作電圧の低減化を図ることができる。ま
た、ＩｎＧａＮはＧａＮに比較してシリコン半導体の伝
導帯に対する障壁の高さを小さくできるので、図２の発
光ダイオ−ドに比較しても消費電力・動作抵抗を小さく
できる。なお、ＡｌＮ層１２ａは絶縁性の膜であるが、
バッファ層１２を構成する複数のＡｌＮ層１２ａの厚み
がいずれも量子力学的なトンネル効果の生じる厚みに設
定されており且つ導電性を有するＩｎ_yＧａ_1-yＮ層１２
ｂを介して電気的に接続されているので、バッファ層１
２の抵抗を十分に小さくすることができる。

【００２１】

【変形例】本発明は上述の実施例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）実施例のバッファ層１２のＡｌＮ層はＡｌ_x Ｇ
ａ_1-x Ｎにおいてｘを１にしたものに相当するが、Ａｌ
_x Ｇａ_1-x Ｎのｘを１よりも小さい任意の数値にするこ
とができる。（２）バッファ層を構成するＡｌ_x Ｇａ_1-xＮ層１２
ａの膜厚は、５〜１００オングストロームの範囲、ま
た、Ｉｎ_yＧａ_1-y層１２ｂの膜厚は５〜３００オングス
トロ−ムの範囲に設定するのが望ましい。即ち、Ｉｎ_y
Ｇａ_1-y層１２ｂの厚みが５オングストローム未満であ
ると、この上面と下面に形成されるＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層
１２ａの間を電気的に良好に接続することができず、バ
ッファ層１２の電気抵抗が増大する。また、Ａｌ_x Ｇａ
_1-x Ｎ層１２ａの厚みが５オングストローム未満であっ
たり、Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ層１２ｂの厚みが３００オングス
トロームを越えると、バッファ層１２の上面に形成され
るＧａＮ系半導体領域を平坦化する効果が損なわれるの
で望ましくない。また、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２ａの厚
みが１００オングストロームを越えると、量子力学的ト
ンネル効果が生じ難くなり、バッファ層１２の電気抵抗
が増大する。なお、Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２ａ及びＩｎ
_yＧａ_1-yＮ層１２ｂの厚みは１０オングストローム以上
であることが更に望ましい。（３）バッファ層１２の上に形成するＧａＮ半導体領
域１３等のＧａＮ又はＧａＮ系半導体領域の厚みは、バ
ッファ層１２の歪みを良好に緩和できるように５００オ
ングストロ−ム以上にするのが望ましい。（４）実施例では、バッファ層１２をＡｌ_x Ｇａ_1-x
Ｎ層１２ａとＩｎ_yＧａ_1-yＮ層１２ｂのみで形成した
が、Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ層１２ｂの一部をＧａＮ層（Ｉｎ_y
Ｇａ_1-yＮにおいてｙを0にしたもの）で置き換えても良
い。即ち、図７に示すようにＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２ａ
とＩｎ_yＧａ_1-yＮ層１２ｂとのペアの他にＡｌ_x Ｇａ
_1-x Ｎ層１２ａと図２と同様なＧａＮ層１２ｂ´とのペ
アをバッファ層１２の中に設けることができる。しか
し、バッファ層１２の上に形成されるＧａＮ系半導体領
域にクラックが発生することを良好に防止するために、
Ａｌ_xＧａ_1-x Ｎ層１２ａとＩｎ_yＧａ_1-yＮ層１２ｂ又
はＧａＮ層１２´から構成される超格子ペア−の内の少
なくとも３組に１つはＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎ層１２ａとＩｎ
_yＧａ_1-yＮ層１２ｂペアとするのが望ましい。（５）Ｉｎ_yＧａ_1-yＮ層１２ｂのｙの値を０＜ｙ≦１
を満足する任意の値にすることができる。（６）バッファ層１２の上に形成されるＧａＮ系半導
体領域の平坦を良好に得るため、及びバッファ層の歪み
を良好に緩和するために、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層１２ａとＩ
ｎ_yＧａ_1-yＮ層１２ｂから構成される超格子のペア−は
少なくとも２組以上、より好ましくは５組以上設けるこ
とが望ましい。（７）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。（８）図８に概略的に示すようにシリコンから成る基
板１１にトランジスタ、ダイオード等の半導体素子２０
を素子分離用Ｐ形領域２１の中に形成し、半導体発光素
子を集積回路の一部とし、発光素子を含む半導体装置の
小型化及びコストの低減を図ることができる。なお、図
８において図３と実質的に同一の部分には同一の符号が
付されている。またＥはエミッタ、Ｂはベ−ス、Ｃはコ
レクタを示す。（9）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。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の発光ダイオードを示す断面図である。

【図２】本件出願人が試作した発光ダイオ−ドを示す断
面図である。

【図３】本発明の実施例の発光ダイオ−ドを示す中央縦
断面図である。

【図４】図３の発光ダイオードの斜視図である。

【図５】ＧａＮ半導体領域のクラック密度を示す図であ
る。

【図６】ＧａＮ半導体領域のＣ軸の格子定数を示す図で
ある。

【図７】変形例のバッファ層の一部を示す断面図であ
る。

【図８】変形例の半導体装置を示す断面図である。

【符号の説明】

１１シリコン単結晶から成る低抵抗性基板１２バッファ層１２ａＡｌＮ層１２ｂＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ｎ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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン又はシリコン化合物から成る低
抵抗性基板と、前記低抵抗性基板の一方の主面上に形成されたバッファ
層と、前記バッファ層の上に形成されており且つ窒化ガリウム
又は窒素とガリウムを含む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形成されており且つ窒化ガ
リウム又は窒素とガリウムを含む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、前記第２の半導体領域の表面上の一部に形成された第１
の電極と、前記低抵抗性基板の他方の主面に形成された第２の電極
とを備え、前記バッファ層はＡｌ_xＧａ_1-XＮ（但し、ｘ
は０＜ｘ≦１を満足する数値）層とＩｎ_yＧａ_1-yＮ（但
し、ｙは０＜ｙ≦１を満足する数値）層とを有している
ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】前記第１の半導体領域と前記第２の半導
体領域との間に活性層が介在していることを特徴とする
請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】前記バッファ層は、複数のＡｌ_xＧａ_1-x
Ｎ（但し、ｘは０＜ｘ≦１を満足する数値）層と複数の
In_yGa_1-yＮ（但し、ｙは０＜ｙ≦１を満足する数値）層
とを有し、前記Ａｌ_xＧａ_1-xＮ層と前記In_yGa_1-yＮ層と
は交互に積層され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。
【請求項４】前記バッファ層における前記Ａｌ_xＧａ
_1-xＮ層の厚みは５〜１００オングストロ−ム、及び前
記In_yGa_1-yＮ層の厚みは５〜３００オングストロームで
あることを特徴とする請求項１又は２又は３記載の半導
体発光素子。