JP2002246644A

JP2002246644A - 発光素子及びその製造方法

Info

Publication number: JP2002246644A
Application number: JP2001039623A
Authority: JP
Inventors: Koji Otsuka; 康二大塚; Tetsuji Moku; 哲次杢; Masaki Yanagihara; 将貴柳原
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2002-08-30
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: JP4701513B2

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコン基板上に結晶性の良好な発光機能層
を形成でき、駆動電圧を低減することができる発光素子
及びその製造方法を提供する。【解決手段】発光素子１のシリコン基板５上には、複
数の孔６ａを有する第１窒化アルミニウム層６が形成さ
れている。少なくとも孔６ａ内には、ガリウムとインジ
ウムとシリコンとを主成分とする複数の金属化合物領域
７がそれぞれ形成されている。第１窒化アルミニウム層
６及び金属化合物領域７上には、ガリウムとインジウム
とを含む第１窒化物系化合物半導体層８が形成されてい
る。そして、第１窒化物系化合物半導体層８上には、第
２窒化アルミニウム層９と、第２窒化物系化合物半導体
層１０と、発光機能層１１とが形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子及びその
製造方法に関し、詳しくは、窒化ガリウム系化合物半導
体を用いた発光素子及びその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】発光素子の発光機能層に、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙ
Ｇａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋
ｙ≦１）等の窒化ガリウム系化合物半導体を用いると、
紫外から緑色までの波長帯の光を発光できることから、
窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子が近年注
目されている。このような発光素子は、一般に、サファ
イアまたはシリコンカーバイドから形成された基板上
に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光機能層を
積層し、基板をダイシング、スクライビング、または劈
開することにより形成されている。

【０００３】しかし、サファイアやシリコンカーバイド
から形成された基板は硬質であるため、ダイシング等を
容易に行うことができず、発光素子の生産性が悪くなっ
てしまうという問題があった。また、サファイアやシリ
コンカーバイドから形成された基板は高価であり、材料
コスト面からも問題があった。

【０００４】このため、発光素子の基板をサファイアや
シリコンカーバイドではなく、シリコンによって構成
し、シリコン基板上に窒化ガリウム系化合物半導体から
なる発光機能層を積層して、発光素子を製造する試みが
なされている。発光素子の基板にシリコン基板を用いる
場合には、シリコン基板上に窒化アルミニウム（Ａｌ
Ｎ）からなるバッファ層を介して発光機能層が形成され
ている。窒化アルミニウムからなるバッファ層を配した
のは、バッファ層がシリコン基板の面方位を受け継ぎ、
バッファ層の上面に結晶性の良好な窒化ガリウム系化合
物半導体からなる発光機能層を形成できるためである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、窒化アルミ
ニウムのバンドギャップは約６．２ｅｖであり、Ｉｎ_ｘ
Ａｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ系化合物半導体の中で最も広い
バンドギャップを有している。このため、シリコン基板
上に窒化アルミニウムからなるバッファ層を介して発光
機能層を形成すると、ＡｌＮバッファ層がシリコン基板
と発光機能層との間に電位障壁を形成し、発光素子の駆
動電圧が高くなるという問題がある。例えば、サファイ
ア等から形成された基板上にバッファ層を介して発光機
能層を形成した発光素子の駆動電圧に比較して、順方向
電圧が２．５倍以上大きくなってしまう。

【０００６】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもの
であり、シリコン基板上に結晶性の良好な発光機能層を
形成でき、駆動電圧を低減することができる発光素子及
びその製造方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の第１の観点にかかる発光素子は、シリコ
ン基板と、前記シリコン基板上に形成され、複数の孔を
有する窒化アルミニウム層と、少なくとも前記孔内に形
成され、ガリウムとインジウムとシリコンとを主成分と
する複数の金属化合物領域と、前記窒化アルミニウム層
及び前記金属化合物領域上に形成され、ガリウムとイン
ジウムとを含む窒化物系化合物半導体層と、前記窒化物
系化合物半導体層上に形成され、発光機能を有する窒化
物系化合物半導体からなる発光機能層とを備える、こと
を特徴とする。

【０００８】この構成によれば、少なくとも窒化アルミ
ニウム層の孔内にガリウムとインジウムとシリコンとを
主成分とする金属化合物領域が形成されている。このた
め、シリコン基板と窒化アルミニウム層と窒化物系化合
物半導体層とからなる経路（導電路）に比べて電位障壁
が相対的に低い、シリコン基板と金属化合物領域と窒化
物系化合物半導体層とからなる導電路が形成され、発光
素子の駆動電圧が低減される。また、シリコン基板と窒
化物系化合物半導体層との間に窒化アルミニウム層が形
成されているので、シリコン基板上の窒化物系化合物半
導体層及び発光機能層の結晶性が良好になる。

【０００９】前記孔は、それぞれ０．０３μｍ^２〜３０
０μｍ^２の面積に形成されていることが好ましい。０．
０３μｍ^２〜３００μｍ^２の面積に形成されていると、
電位障壁が相対的に低い導電路が形成しやすくなる。

【００１０】前記各孔は、その間隔が１０μｍ以内に形
成されていることが好ましい。各孔が１０μｍ以内の間
隔に形成されていると、金属化合物領域上に窒化物系化
合物半導体層が形成されやすくなる。

【００１１】前記孔は、その面積の合計が前記窒化アル
ミニウム層の面積の３０％以上に形成されていることが
好ましい。孔の面積の合計が窒化アルミニウム層の面積
の３０％以上に形成されていると、電位障壁が相対的に
低い導電路が形成されやすくなる。

【００１２】前記窒化アルミニウム層は、０．５ｎｍ〜
３００ｎｍの厚さに形成されていることが好ましい。
０．５ｎｍ〜３００ｎｍの厚さに形成されていると、窒
化物系化合物半導体層からのガリウム及びインジウムの
拡散が抑制される。また、金属化合物領域上に窒化物系
化合物半導体層が確実に形成される。

【００１３】前記窒化物系化合物半導体層は、１ｎｍ〜
１００ｎｍの厚さに形成されていることが好ましい。１
ｎｍ〜１００ｎｍの厚さに形成されていると、電位障壁
が相対的に低い導電路が形成しやすくなる。また、窒化
物系化合物半導体層にクラックが発生しなくなる。

【００１４】前記窒化物系化合物半導体層と前記発光機
能層との間に、ガリウム及びインジウムの反応を抑制可
能な窒化アルミニウムからなる反応抑制層を備えること
が好ましい。反応抑制層を備えることにより、発光機能
層の結晶性が劣化しにくくなる。

【００１５】前記反応抑制層と前記発光機能層との間
に、該発光機能層よりバンドギャップの小さい窒化物系
化合物半導体層を備えることが好ましい。バンドギャッ
プの小さい窒化物系化合物半導体層を介在させることに
より、発光機能層との間の電位障壁が小さくなり、バン
ド構造の変化が滑らかになる。

【００１６】この発明の第２の観点にかかる発光素子の
製造方法は、シリコン基板上に、窒化アルミニウム層を
形成する工程と、前記窒化アルミニウム層に複数の孔を
形成する工程と、前記孔内にガリウムとインジウムとシ
リコンとを主成分とする金属化合物領域をそれぞれ形成
する工程と、前記窒化アルミニウム層上及び前記金属化
合物領域上に、ガリウムとインジウムとを含む窒化物系
化合物半導体層を形成する工程と、前記窒化物系化合物
半導体層上に、発光機能を有する窒化物系化合物半導体
からなる発光機能層を形成する工程とを備える、ことを
特徴とする。

【００１７】この構成によれば、窒化アルミニウム層の
孔内にガリウムとインジウムとシリコンとを主成分とす
る金属化合物領域が形成され、電位障壁が相対的に低い
導電路が形成される。このため、発光素子の駆動電圧が
低減される。また、シリコン基板と窒化物系化合物半導
体層との間に窒化アルミニウム層が形成され、シリコン
基板上に結晶性が良好な窒化物系化合物半導体層及び発
光機能層が形成される。

【００１８】上記発光素子の製造方法において、前記窒
化アルミニウム層上及び前記孔内にガリウムとインジウ
ムとを含むガスを供給することにより、前記孔内に前記
金属化合物領域を形成するとともに、前記窒化アルミニ
ウム層上及び前記金属化合物領域上に前記窒化物系化合
物半導体層を形成することが好ましい。

【００１９】前記孔の面積を０．０３μｍ^２〜３００μ
ｍ^２の範囲内に形成すると、電位障壁が相対的に低い導
電路を形成しやすくなる。また、前記各孔の間隔を１０
μｍ以内に形成すると、金属化合物領域上に窒化物系化
合物半導体層を形成しやすくなる。さらに、前記孔の面
積の合計を前記窒化アルミニウム層の面積の３０％以上
に形成すると、電位障壁が相対的に低い導電路を形成し
やすくなる。

【００２０】前記窒化物系化合物半導体層と前記発光機
能層との間に、窒化アルミニウムからなる反応抑制層を
形成する工程を備えると、発光機能層の結晶性が劣化し
にくくなる。また、前記反応抑制層と前記発光機能層と
の間に、該発光機能層よりバンドギャップの小さい窒化
物系化合物半導体層を形成する工程を備えると、発光機
能層との間の電位障壁が小さくなり、バンド構造の変化
が滑らかになる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の発光
素子及びその製造方法について説明する。図１に本実施
の形態の発光素子の構造を示す。図１に示すように、発
光素子１は、半導体基体２と、半導体基体２の上面に電
気的に接続されたアノード電極３と、半導体基体２の下
面に電気的に接続されたカソード電極４とを備えてい
る。

【００２２】半導体基体２は、シリコン基板５と、シリ
コン基板５上に形成され、複数の孔６ａを有する窒化ア
ルミニウム層としての第１窒化アルミニウム層６と、少
なくとも孔６ａ内に形成された金属化合物領域７と、第
１窒化アルミニウム層６及び金属化合物領域７上に形成
され、ガリウムとインジウムとを含む第１窒化物系化合
物半導体層８と、第１窒化物系化合物半導体層８上に形
成された反応抑制層としての第２窒化アルミニウム層９
と、第２窒化アルミニウム層９上に形成された第２窒化
物系化合物半導体層１０と、第２窒化物系化合物半導体
層１０上に形成された発光機能層１１とを備えている。

【００２３】シリコン基板５は、ｎ形導電形の不純物、
例えば、砒素（Ａｓ）が５×１０^１ ^８ｃｍ^−３〜５×１
０^１９ｃｍ^−３程度の比較的高濃度にドープされたｎ^＋
形のシリコン単結晶基板から構成されている。そして、
その抵抗率は０．００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍ程
度である。このため、シリコン基板５は、実質的に導電
体であり、カソード電極４とともに電極として機能す
る。また、シリコン基板５は、発光機能層１１等の支持
部材として機能し、発光機能層１１等を良好に支持でき
るように、例えば、３５０μｍ程度の厚みに形成されて
いる。

【００２４】第１窒化アルミニウム層６は、シリコン基
板５上に形成されている。図２に第１窒化アルミニウム
層６の平面図を示す。図２に示すように、第１窒化アル
ミニウム層６は、その全面に第１窒化アルミニウム層６
を貫通する複数の孔６ａが点在するように形成されてい
る。また、第１窒化アルミニウム層６は、第１窒化物系
化合物半導体層８からのガリウム及びインジウムの拡散
を抑制可能な厚さ、例えば、０．５ｎｍ〜３００ｎｍの
厚さに形成されている。

【００２５】この第１窒化アルミニウム層６は、シリコ
ン基板５上に窒化物系化合物半導体（例えば、第１窒化
物系化合物半導体層８）を膜成長させるためのバッファ
層として機能する。シリコン基板５の表面に、窒化物系
化合物半導体を直接膜成長させることは困難であるが、
バッファ層として機能する第１窒化アルミニウム層６を
介して形成させることにより、シリコン基板５上に窒化
物系化合物半導体を膜成長させることができる。これ
は、第１窒化アルミニウム層６はシリコン基板５の面方
位を受け継ぐことができ、シリコン基板５上に第１窒化
アルミニウム層６を介することで、シリコン基板５上に
結晶性の良好な窒化ガリウム系化合物半導体層を形成す
ることができるためである。

【００２６】第１窒化アルミニウム層６の孔６ａ内に
は、金属化合物領域７が形成されている。金属化合物領
域７は、シリコン基板５と第１窒化物系化合物半導体層
８との間に介在して、これらの間の電気的接続を良好に
する。このため、シリコン基板５と金属化合物領域７と
第１窒化物系化合物半導体層８とからなる経路には、シ
リコン基板５と第１窒化アルミニウム層６と第１窒化物
系化合物半導体層８とからなる経路に比べて、電位障壁
が相対的に低い導電路が形成される。従って、金属化合
物領域７は、シリコン基板５と第１窒化物系化合物半導
体層８との間の電位障壁を低減する機能を有する。

【００２７】金属化合物領域７は、後述するように、第
１窒化アルミニウム層６上に第１窒化物系化合物半導体
層８を形成する際に第１窒化アルミニウム層６の孔６ａ
内に供給されたガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉ
ｎ）と、シリコン基板５のシリコン（Ｓｉ）とが反応し
て形成されている。このため、金属化合物領域７は、ガ
リウム、インジウム及びシリコンを主成分とし、少なく
とも孔６ａ内、すなわち孔６ａ内と、孔６ａに対向する
シリコン基板５及び第１窒化物系化合物半導体層８の所
定の領域とに形成されている。また、孔６ａが第１窒化
アルミニウム層６内に点在するように形成されており、
金属化合物領域７も第１窒化アルミニウム層６内に点在
するように形成されている。

【００２８】第１窒化物系化合物半導体層８は、第１窒
化アルミニウム層６及び金属化合物領域７上に形成され
ている。第１窒化物系化合物半導体層８は、Ｉｎ_ｘＡｌ
_１− _ｘ−ｙＧａ_ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ
＋ｙ≦１）から構成されている。すなわち、第１窒化物
系化合物半導体層８は、インジウムとガリウムとを必須
の構成元素とする窒化物系化合物半導体であり、本実施
の形態ではｎ形Ｇａ_０ _．５Ｉｎ_０．５Ｎから構成されて
いる。

【００２９】第１窒化物系化合物半導体層８は、孔６ａ
が形成されていない第１窒化アルミニウム層６の上面
に、その上面に垂直な方向に結晶性の良好なｎ形Ｇａ
_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が形成される。また、この形成時
に、その上面に平行な方向（横方向）にもエピタキシャ
ル成長する。そして、これらの層が合体することによ
り、金属化合物領域７の上面にも結晶性の良好なｎ形Ｇ
ａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が形成され、第１窒化アルミニ
ウム層６及び金属化合物領域７上に、連続して平坦なｎ
形Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が形成される。なお、第１
窒化アルミニウム層６の孔６ａに対向する位置の第１窒
化物系化合物半導体層８にはシリコンが拡散して金属化
合物領域７が形成されるが、孔６ａに対向しない位置の
第１窒化物系化合物半導体層８にはシリコンが拡散され
ない。このシリコンが拡散されない結晶性の良好なｎ形
Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が成長することにより、第１
窒化物系化合物半導体層８が形成されるので、第１窒化
物系化合物半導体層８には結晶性の良好なｎ形Ｇａ
_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が形成される。

【００３０】第１窒化物系化合物半導体層８の厚さは、
電位障壁の低減に有効な金属化合物領域７が良好に形成
されるように１ｎｍ以上とすることが好ましい。ただ
し、第１窒化物系化合物半導体層８の厚さをあまり厚く
しすぎると、第１窒化物系化合物半導体層８とシリコン
基板５との線膨張係数差に起因するクラックが第１窒化
物系化合物半導体層８に生じるおそれがある。第１窒化
物系化合物半導体層８にクラックが発生すると、第１窒
化物系化合物半導体層８上に形成される、例えば、発光
機能層１１の結晶性を損なう原因となるため、第１窒化
物系化合物半導体層８の厚さを１００ｎｍ以下にするこ
とが好ましい。本実施の形態では、第１窒化物系化合物
半導体層８の厚さを２０ｎｍに形成している。

【００３１】第２窒化アルミニウム層９は、第１窒化物
系化合物半導体層８上に形成されている。第２窒化アル
ミニウム層９は、ガリウム、インジウム等の反応が上方
に形成される発光機能層１１に進行することを抑制する
機能を有する。ガリウム、インジウム等の反応が発光機
能層１１まで進行すると、発光機能層１１の結晶性が損
なわれるおそれがあるためである。このため、第２窒化
アルミニウム層９を形成することにより、発光機能層１
１の結晶性の劣化の問題が生じなくなる。

【００３２】発光機能層１１の結晶性の劣化を防止する
には、第２窒化アルミニウム層９の厚さを１ｎｍ以上に
形成することが好ましい。ただし、第２窒化アルミニウ
ム層９はキャリアに対してバリアとして働くため、第２
窒化アルミニウム層９の厚さは４ｎｍ以下にすることが
好ましい。第２窒化アルミニウム層９の厚さを４ｎｍよ
り厚くすると、駆動電圧を低減することができなくなっ
てしまうためである。本実施の形態では、第２窒化アル
ミニウム層９の厚さを２ｎｍに形成している。

【００３３】第２窒化物系化合物半導体層１０は、第２
窒化アルミニウム層９上に形成されている。第２窒化物
系化合物半導体層１０は、Ｉｎ_ｘＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｇａ_ｙ
Ｎ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）から構
成されている。すなわち、第２窒化物系化合物半導体層
１０は、インジウムとガリウムとを必須の構成元素とす
る窒化物系化合物半導体であり、本実施の形態ではｎ形
Ｇａ_０．９Ｉｎ_０．１Ｎから構成されている。

【００３４】第２窒化物系化合物半導体層１０は、その
上に形成される発光機能層１１（後述するｎ形クラッド
層１２）に対して、少しだけバンドギャップが小さい材
料を用いることが好ましい。このような材料からなる第
２窒化物系化合物半導体層１０を介在させることによ
り、発光機能層１１との間の電位障壁を小さくすること
ができ、バンド構造の変化を滑らかにすることができる
ためである。また、第１窒化物系化合物半導体層８のイ
ンジウムの組成比を第２窒化物系化合物半導体層１０の
インジウムの組成比よりも大きくすることが好ましい。
インジウムの組成比を大きくすることにより、第１窒化
物系化合物半導体層８と金属化合物領域７との電気的接
続が良好になるためである。

【００３５】発光機能層１１は、第２窒化物系化合物半
導体層１０上に形成されている。発光機能層１１は、ｎ
形クラッド層１２と、活性層１３と、ｐ形クラッド層１
４とが順次積層した構成に形成されている。

【００３６】ｎ形クラッド層１２は第２窒化物系化合物
半導体層１０上に形成され、その厚さが５００ｎｍのｎ
形ＧａＮからなるｎ形半導体領域である。活性層１３は
ｎ形クラッド層１２上に形成され、その厚さが３ｎｍの
ＧａＩｎＮから構成されている。ｐ形クラッド層１４は
活性層１３上に形成され、その厚さが５００ｎｍのｐ形
ＧａＮからなるｐ形半導体領域である。

【００３７】アノード電極３は、ｐ形クラッド層１４の
上面に、例えば、低抵抗性接触して形成されている。ア
ノード電極３は、例えば、ニッケルと金を真空蒸着して
形成されている。また、カソード電極４は、シリコン基
板５の下面に、例えば、低抵抗性接触して形成されてい
る。カソード電極４は、例えば、チタンとアルミニウム
・ゲルマニウム・ニッケル合金と金とを真空蒸着で順次
積層して形成されている。アノード電極３及びカソード
電極４は、他の金属材料により形成することも可能であ
る。

【００３８】次に、以上のように構成された発光素子１
の製造方法について、図３に示すタイムシーケンスを参
照して説明する。

【００３９】まず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemic
al Vapor Deposition）装置の反応室内に、洗浄等の前
処理を施したシリコン基板５を配置する。そして、シリ
コン基板５に１１２０℃で１０分程度の熱処理を施し、
その表面をサーマルクリーニングして表面の酸化膜を完
全に除去する（サーマルクリーニング工程）。

【００４０】次に、シリコン基板５の表面に水素終端処
理を施す（水素終端処理工程）。水素終端処理とは、シ
リコン基板５の表面のダングリングボンド、すなわちシ
リコンの４つの結合手のうちで、結合に使用されていな
い結合手（ボンド）に水素を結合させる処理である。

【００４１】続いて、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に、ト
リメチルアルミニウムガス（ＴＭＡガス）を所定量、例
えば、６３μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアガス（Ｎ
Ｈ_３）を所定量、例えば、０．１４ｍｏｌ／ｍｉｎ供給
して、シリコン基板５の上面に所定厚の窒化アルミニウ
ムからなる第１窒化アルミニウム層６を形成する（第１
窒化アルミニウム層形成工程）。

【００４２】第１窒化アルミニウム層６は、第１窒化物
系化合物半導体層８からのガリウム及びインジウムの拡
散を抑制するように、０．５ｎｍ以上の厚さに形成する
ことが好ましい。また、第１窒化物系化合物半導体層８
の横方向への成長により孔６ａが良好に被覆されるよう
に、３００ｎｍ以下の厚さに形成することが好ましい。
このため、第１窒化アルミニウム層６は、０．５ｎｍ〜
３００ｎｍの厚さに形成することが好ましい。本実施の
形態では、第１窒化アルミニウム層６の厚さを１０ｎｍ
に形成している。

【００４３】次に、第１窒化アルミニウム層６の形成さ
れたシリコン基板５をＭＯＣＶＤ装置の反応室内から取
り出し、例えば、フォトリソグラフィーとドライエッチ
ングを施すことにより、第１窒化アルミニウム層６に複
数の孔６ａを形成する（孔形成工程）。

【００４４】ここで、第１窒化アルミニウム層６の各孔
６ａの開口面積を０．０３μｍ^２〜３００μｍ^２の範囲
内で形成することが好ましい。開口面積が０．０３μｍ
^２より小さくなると、シリコン基板５と第１窒化物系化
合物半導体層８との間の電位障壁を低減する機能が有効
に発揮されなくなるおそれがあり、また開口面積が３０
０μｍ^２より大きくなると、第１窒化物系化合物半導体
層８の横方向への成長により孔６ａ上を被覆することが
困難となるおそれがあるためである。この孔６ａは、そ
の開口面積が上記開口面積の範囲内であれば任意の大き
さに形成することが可能であり、必ずしも均一な大きさ
に形成しなくてもよい。また、各孔６ａの間隔は、第１
窒化物系化合物半導体層８の横方向への成長により孔６
ａが良好に被覆されるように、それぞれ１０μｍ以内に
形成することが好ましい。さらに、各孔６ａの開口面積
の合計は、電位障壁を低減するために、第１窒化アルミ
ニウム層６の全面の３０％以上であることが好ましい。

【００４５】続いて、孔６ａの形成されたシリコン基板
５を、再びＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置して、１１
２０℃で１０分程度の熱処理を施し、その表面をサーマ
ルクリーニングして表面の酸化膜を除去する（サーマル
クリーニング工程）。

【００４６】次に、シリコン基板５の温度を７００℃ま
で下げる。シリコン基板５の温度が７００℃にまで下が
ると、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に、トリメチルインジ
ウムガス（ＴＭＩガス）を所定量、例えば、５９μｍｏ
ｌ／ｍｉｎ、トリメチルガリウムガス（ＴＭＧガス）を
所定量、例えば、６．２μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニア
ガスを所定量、例えば、０．２３ｍｏｌ／ｍｉｎ、及び
シランガスを所定量、例えば、２１ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供
給する（第１ＧａＩｎＮ層形成工程）。なお、シランガ
スを供給したのは、第１窒化物系化合物半導体層８中に
ｎ形不純物としてのシリコンを導入するためである。

【００４７】図４に第１ＧａＩｎＮ層の形成過程の概略
を示す。図４（ａ）に示すように、第１窒化アルミニウ
ム層６の上面に上記ガスが供給されると、孔６ａ内に供
給されたガリウム及びインジウムと、シリコン基板５の
シリコンとが反応して、孔６ａ内及び孔６ａに対向する
シリコン基板５の所定領域に金属化合物領域７が形成さ
れる。一方、孔６ａが形成されていない第１窒化アルミ
ニウム層６の上面では、垂直な方向に結晶性の良好なｎ
形Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が形成されるとともに、横
方向にエピタキシャル成長する。そして、図４（ｂ）に
示すように、横方向に成長したｎ形Ｇａ_０．５Ｉｎ
_０．５Ｎ層が金属化合物領域７の上を覆うように合体す
ることにより、第１窒化アルミニウム層６及び金属化合
物領域７上に、厚さ約２０ｎｍの結晶性の良好なｎ形Ｇ
ａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎからなる第１窒化物系化合物半導
体層８を形成する。結晶性の良好な第１窒化物系化合物
半導体層８を形成できるのは、シリコン基板５上にバッ
ファ層として機能する第１窒化アルミニウム層６が形成
されているためである。

【００４８】ここで、図４（ｂ）に示すように、第１窒
化アルミニウム層６の孔６ａに対向する位置の第１窒化
物系化合物半導体層８にはシリコンが拡散して金属化合
物領域７が形成される。しかし、孔６ａに対向しない位
置の第１窒化物系化合物半導体層８にはシリコンが拡散
されない。このシリコンが拡散されない結晶性の良好な
ｎ形Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が成長することにより、
第１窒化物系化合物半導体層８が形成されるので、第１
窒化物系化合物半導体層８には結晶性の良好なｎ形Ｇａ
_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が形成される。

【００４９】このように、金属化合物領域７及び第１窒
化物系化合物半導体層８が形成され、金属化合物領域７
は、シリコン基板５と第１窒化物系化合物半導体層８と
の間に介在して、これらの間の電気的接続を良好にす
る。すなわち、シリコン基板５と金属化合物領域７と第
１窒化物系化合物半導体層８とからなる経路には、シリ
コン基板５と第１窒化アルミニウム層６と第１窒化物系
化合物半導体層８とからなる経路に比べて、電位障壁が
相対的に低い導電路が形成される。このため、シリコン
基板５と第１窒化物系化合物半導体層８との間の電位障
壁が低減される。

【００５０】次に、シリコン基板５の温度を１０４０℃
まで上げる。シリコン基板５の温度が１０４０℃まで上
がると、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に、トリメチルアル
ミニウムガス（ＴＭＡガス）を所定量、例えば、６３μ
ｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアガス（ＮＨ_３）を所定量、
例えば、０．１４ｍｏｌ／ｍｉｎ供給して、第１窒化物
系化合物半導体層８の上面に、厚さ約２ｎｍの窒化アル
ミニウムからなる第２窒化アルミニウム層９を形成する
（第２窒化アルミニウム層形成工程）。

【００５１】続いて、シリコン基板５の温度を７００℃
まで下げる。シリコン基板５の温度が７００℃にまで下
がると、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に、トリメチルイン
ジウムガス（ＴＭＩガス）を所定量、例えば、９．８μ
ｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルガリウムガス（ＴＭＧガ
ス）を所定量、例えば、６．２μｍｏｌ／ｍｉｎ、アン
モニアガスを所定量、例えば、０．２３ｍｏｌ／ｍｉ
ｎ、及びシランガスを所定量、例えば、２１ｎｍｏｌ／
ｍｉｎ供給し、厚さ約２０ｎｍのｎ形Ｇａ_０．９Ｉｎ
_０．１Ｎからなる第２窒化物系化合物半導体層１０を形
成する（第２ＧａＩｎＮ層形成工程）。

【００５２】次に、第２窒化物系化合物半導体層１０上
に発光機能層１１を形成する。まず、シリコン基板５の
温度を１０４０℃まで上げる。シリコン基板５の温度が
１０４０℃まで上がると、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内
に、トリメチルガリウムガス（ＴＭＧガス）を所定量、
例えば、４．３μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアガスを所
定量、例えば、５３．６ｍｍｏｌ／ｍｉｎ、シランガス
を所定量、例えば、１．５ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、第
２窒化物系化合物半導体層１０の上面にｎ形ＧａＮから
なる厚さ約５００ｎｍのｎ形クラッド層１２を形成する
（ｎ形クラッド層形成工程）。なお、ｎ形クラッド層１
２の不純物濃度は３×１０^１８ｃｍ ^−３であり、シリコ
ン基板５の不純物濃度よりも十分に低い。

【００５３】次に、シリコン基板５の温度を８００℃ま
で下げる。シリコン基板５の温度が８００℃まで下がる
と、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に、トリメチルガリウム
ガス（ＴＭＧガス）を所定量、例えば、１．１μｍｏｌ
／ｍｉｎ、アンモニアガスを所定量、例えば、６７ｍｍ
ｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルインジウムガス（ＴＭＩガ
ス）を所定量、例えば、４．５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ビス
シクロペンタジェニルマグネシウムガス（Ｃｐ_２Ｍｇガ
ス）を所定量、例えば、１２ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、
ｎ形クラッド層１２上に厚さ約３ｎｍのｐ形ＧａＩｎＮ
からなる活性層１３を形成する（活性層形成工程）。な
お、ビスシクロペンタジェニルマグネシウムガスを供給
したのは、活性層１３中にｐ形導電形の不純物としての
Ｍｇを導入するためである。また、活性層１３の不純物
濃度は３×１０^１７ｃｍ^−３である。

【００５４】続いて、シリコン基板５の温度を１０４０
℃まで上げる。シリコン基板５の温度が１０４０℃まで
上がると、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に、トリメチルガ
リウムガス（ＴＭＧガス）を所定量、例えば、４．３μ
ｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアガスを所定量、例えば、５
３．６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ビスシクロペンタジェニルマ
グネシウムガス（Ｃｐ_２Ｍｇガス）を所定量、例えば、
０．１２μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、活性層１３上に厚さ
約５００ｎｍのｐ形ＧａＮからなるｐ形クラッド層１４
を形成する（ｐ形クラッド層形成工程）。なお、ｐ形ク
ラッド層１４の不純物濃度は３×１０^１８ｃｍ^−３であ
る。

【００５５】以上のように形成された発光機能層１１
（ｎ形クラッド層１２、活性層１３、ｐ形クラッド層１
４）と、第１窒化物系化合物半導体層８との間には、第
２窒化アルミニウム層９が形成されているので、ガリウ
ム、インジウム等の反応が発光機能層１１にまで進行し
なくなる。このため、発光機能層１１の結晶性が劣化し
なくなる。

【００５６】その後、真空蒸着法によって形成されたア
ノード電極３を低抵抗性接触させて、ｐ形クラッド層１
４の上面に設置する。また、真空蒸着法によって形成さ
れたカソード電極４を低抵抗性接触させて、シリコン基
板５の下面に設置する（電極形成工程）。このような工
程により、図１に示すような発光素子１が製造される。

【００５７】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、第１窒化アルミニウム層６の孔６ａ内に金属化合物
領域７が形成されているので、電位障壁が相対的に低い
導電路が形成される。このため、シリコン基板５と第１
窒化物系化合物半導体層８との間の電位障壁が低減さ
れ、発光素子１の駆動電圧を低減することができる。ま
た、シリコン基板５上に第１窒化アルミニウム層６が形
成されているので、シリコン基板５上に結晶性の良好な
発光機能層１１を形成することができる。

【００５８】本実施の形態によれば、第１窒化物系化合
物半導体層８と発光機能層１１との間に、第２窒化アル
ミニウム層９が形成されているので、発光機能層１１の
結晶性が劣化しなくなる。

【００５９】なお、本発明は、上記の実施の形態に限ら
れず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に
適用可能な他の実施の形態について説明する。

【００６０】上記実施の形態では、第１窒化物系化合物
半導体層８と発光機能層１１との間に第２窒化アルミニ
ウム層９を形成した場合を例に本発明を説明したが、例
えば、図５に示すように、第２窒化アルミニウム層９を
多層に形成してもよい。この場合、ガリウム、インジウ
ム等の反応が発光機能層１１に進行することを確実に抑
制することができる。また、１層当たりの第２窒化アル
ミニウム層９の厚さを、例えば、０．５ｎｍ程度にまで
薄くすることができる。

【００６１】上記実施の形態では、第１窒化物系化合物
半導体層８と発光機能層１１との間に第２窒化アルミニ
ウム層９を形成した場合を例に本発明を説明したが、図
６に示すように、第２窒化アルミニウム層９及び第２窒
化物系化合物半導体層１０を形成しなくてもよい。この
場合にも第１窒化アルミニウム層６の孔６ａ内に金属化
合物領域７が形成されていれば発光素子１の駆動電圧を
低減することができ、シリコン基板５上に結晶性の良好
な発光機能層１１を形成することができる。

【００６２】上記実施の形態では、第１窒化物系化合物
半導体層８、第２窒化物系化合物半導体層１０、ｎ形ク
ラッド層１２がｎ形半導体領域等の場合を例に本発明を
説明したが、シリコン基板５、第１窒化物系化合物半導
体層８、第２窒化物系化合物半導体層１０、ｎ形クラッ
ド層１２、活性層１３、ｐ形クラッド層１４の導電形を
反転してもよい。この場合にも、シリコン基板５上に結
晶性の良好な発光機能層１１を形成でき、また、発光素
子１の駆動電圧を低減することができる。

【００６３】上記実施の形態では、ＭＯＣＶＤ装置の反
応室内で発光素子を製造する場合を例に本発明を説明し
たが、例えば、ＭＯＣＶＤ装置に反応室を複数設け、各
製造工程ごとに別々の反応室を用いてもよい。

【００６４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の発光素子
によれば、シリコン基板上に結晶性の良好な発光機能層
を形成できる。また、その駆動電圧を低減することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の発光素子の断面構造を示
した概略図である。

【図２】本発明の実施の形態の第１窒化アルミニウム層
の平面図である。

【図３】本発明の実施の形態の発光素子の製造手順を説
明するためのタイムシーケンスを示した図である。

【図４】本発明の実施の形態の第１窒化物系化合物半導
体層の形成過程を説明するための概略図である。

【図５】本発明の他の実施の形態の発光素子の断面構造
を示した概略図である。

【図６】本発明の他の実施の形態の発光素子の断面構造
を示した概略図である。

【符号の説明】

１発光素子５シリコン基板６第１窒化アルミニウム層６ａ孔７金属化合物領域８第１窒化物系化合物半導体層９第２窒化アルミニウム層１０第２窒化物系化合物半導体層１１発光機能層

フロントページの続き (72)発明者柳原将貴埼玉県新座市北野３丁目６番３号サンケン電気株式会社内Ｆターム(参考） 5F041 AA24 CA33 CA34 CA40 CA65 CA74 CA77 5F045 AA04 AB09 AB17 AC08 AC12 AD11 AD14 AF03 BB12 BB16 DA53 HA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成され、複数の孔を有する窒化
アルミニウム層と、少なくとも前記孔内に形成され、ガリウムとインジウム
とシリコンとを主成分とする複数の金属化合物領域と、前記窒化アルミニウム層及び前記金属化合物領域上に形
成され、ガリウムとインジウムとを含む窒化物系化合物
半導体層と、前記窒化物系化合物半導体層上に形成され、発光機能を
有する窒化物系化合物半導体からなる発光機能層と、を
備える、ことを特徴とする発光素子。
【請求項２】前記孔は、それぞれ０．０３μｍ^２〜３０
０μｍ^２の面積に形成されている、ことを特徴とする請
求項１に記載の発光素子。
【請求項３】前記各孔は、その間隔が１０μｍ以内に形
成されている、ことを特徴とする請求項１または２に記
載の発光素子。
【請求項４】前記孔は、その面積の合計が前記窒化アル
ミニウム層の面積の３０％以上に形成されている、こと
を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発
光素子。
【請求項５】前記窒化アルミニウム層は、０．５ｎｍ〜
３００ｎｍの厚さに形成されている、ことを特徴とする
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項６】前記窒化物系化合物半導体層は、１ｎｍ〜
１００ｎｍの厚さに形成されている、ことを特徴とする
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光素子。
【請求項７】前記窒化物系化合物半導体層と前記発光機
能層との間に、ガリウム及びインジウムの反応を抑制可
能な窒化アルミニウムからなる反応抑制層を備える、こ
とを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の
発光素子。
【請求項８】前記反応抑制層と前記発光機能層との間
に、該発光機能層よりバンドギャップの小さい窒化物系
化合物半導体層を備える、ことを特徴とする請求項７に
記載の発光素子。
【請求項９】シリコン基板上に、窒化アルミニウム層を
形成する工程と、前記窒化アルミニウム層に複数の孔を形成する工程と、前記孔内にガリウムとインジウムとシリコンとを主成分
とする金属化合物領域をそれぞれ形成する工程と、前記窒化アルミニウム層上及び前記金属化合物領域上
に、ガリウムとインジウムとを含む窒化物系化合物半導
体層を形成する工程と、前記窒化物系化合物半導体層上に、発光機能を有する窒
化物系化合物半導体からなる発光機能層を形成する工程
と、を備える、ことを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項１０】前記窒化アルミニウム層上及び前記孔内
にガリウムとインジウムとを含むガスを供給することに
より、前記孔内に前記金属化合物領域を形成するととも
に、前記窒化アルミニウム層上及び前記金属化合物領域
上に前記窒化物系化合物半導体層を形成する、ことを特
徴とする請求項９に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１１】前記孔の面積を０．０３μｍ^２〜３００
μｍ^２の範囲内に形成する、ことを特徴とする請求項９
または１０に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１２】前記各孔の間隔を１０μｍ以内に形成す
る、ことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項
に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１３】前記孔の面積の合計を前記窒化アルミニ
ウム層の面積の３０％以上に形成する、ことを特徴とす
る請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の発光素子の
製造方法。
【請求項１４】前記窒化物系化合物半導体層と前記発光
機能層との間に、窒化アルミニウムからなる反応抑制層
を形成する工程を備える、ことを特徴とする請求項９乃
至１３のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
【請求項１５】前記反応抑制層と前記発光機能層との間
に、該発光機能層よりバンドギャップの小さい窒化物系
化合物半導体層を形成する工程を備える、ことを特徴と
する請求項９乃至１４のいずれか１項に記載の発光素子
の製造方法。