JP2003060230A - Semiconductor light-emitting element and manufacturing method therefor - Google Patents

Semiconductor light-emitting element and manufacturing method therefor

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JP2003060230A
JP2003060230A JP2001248736A JP2001248736A JP2003060230A JP 2003060230 A JP2003060230 A JP 2003060230A JP 2001248736 A JP2001248736 A JP 2001248736A JP 2001248736 A JP2001248736 A JP 2001248736A JP 2003060230 A JP2003060230 A JP 2003060230A
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哲次 杢
Koji Otsuka
康二 大塚
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem of cost reduction of a semiconductor light- emitting element which is low in power consumption and operating voltage being difficult. SOLUTION: In the semiconductor light-emitting element, a composite buffer layer 12 formed by alternately laminating a plurality of AlN first layers 12a and a plurality of GaN second layers 12b upon another is provided on a low- resistance silicon substrate 11 one main surface 11a of which is oriented in the (111) crystal plane. Then an n-type gallium nitride semiconductor region 13, a gallium - indium nitride active layer 14, and a p-type gallium nitride semiconductor region 15 are successively formed on the buffer layer 12. In addition, an anode electrode 17 is provided on the semiconductor region 15 and a cathode electrode 18 is provided on the rear surface of the substrate 11.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は窒化物系化合物半導
体を用いた半導体発光素子及びその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light emitting device using a nitride compound semiconductor and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】GaN(窒化ガリウム)、AlGaN
(窒化ガリウム アルミニウム)、InGaN(窒化ガ
リウム インジウム)、AlInGaN(窒化ガリウム
インジウム 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4‐29
7023号公報に開示されてGaxAl1-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Ga
N)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。
2. Description of the Related Art GaN (gallium nitride), AlGaN
A semiconductor light emitting device such as a blue light emitting diode using a gallium nitride-based compound semiconductor such as (gallium aluminum nitride), InGaN (gallium indium aluminum), AlInGaN (gallium indium aluminum) is known. A typical conventional light emitting device is an insulating substrate made of sapphire, and is formed on one main surface (upper surface) of this insulating substrate, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 4-29.
Ga x Al 1-x N (provided that x
Is a numerical value in the range of 0 <x ≦ 1. ), A gallium nitride-based compound semiconductor (for example, Ga) formed on the buffer layer by epitaxial growth.
N), an n-type semiconductor region, an active layer made of a gallium nitride-based compound semiconductor (for example, InGaN) formed on the n-type semiconductor region by an epitaxial growth method, and an epitaxial layer formed on the active layer. It has a p-type semiconductor region. The cathode electrode is connected to the n-type semiconductor region, and the anode electrode is connected to the p-type semiconductor region.

【0003】[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。
By the way, as is well known, a light emitting device is manufactured by cutting a wafer in 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 was difficult to perform this dicing favorably and with good productivity. Further, since sapphire is expensive, the cost of the light emitting device is high. Further, since the substrate made of sapphire is an insulator, the cathode electrode cannot be formed on the substrate. For this reason, it is necessary to expose a part of the n-type semiconductor region and connect the 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 becomes high accordingly. became. Further, in the conventional light emitting device using the 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 of the n-type semiconductor region in which the horizontal current flows is as thin as about 4 to 5 μm, the resistance of the horizontal current path of the n-type semiconductor region becomes considerably large, and the power consumption and the operating voltage increase. Invited. Further, it is necessary to remove the active layer and the p-type semiconductor region by etching in order to expose the connection portion of the cathode electrode of the n-type semiconductor region. It had to be formed to be a little thick. Therefore, the time required for the epitaxial growth of the n-type semiconductor region is long and the productivity is low. Further, a light emitting device using a conductive substrate made of silicon carbide (SiC) instead of the sapphire substrate is known. In this light emitting device, the cathode electrode can be formed on the lower surface of the conductive substrate. Therefore, as compared with the light emitting device using the sapphire substrate, the light emitting device using the SiC substrate has advantages that the chip area can be reduced and the wafer can be easily separated by cleavage. However, since SiC is much more expensive than sapphire, it is difficult to reduce the cost of the light emitting element. Further, 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 device are relatively high as in the light emitting device using the sapphire substrate.

【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
素子及びその製造方法を提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of improving productivity and performance and reducing cost, and a manufacturing method thereof.

【0005】[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、窒化物系化合物半導体
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且
つ一方の主面がミラー指数で示す結晶の面方位いおいて
(111)ジャスト面又は(111)面から−4度から
+4度の範囲で傾いている面である基板と、前記基板の
一方の主面上に配置され、AlxGa1-xN(但し、xは
0<x≦1を満足する数値である。)から成る第1の層
とGaN又はAlyGa1-yN(但し、yはy<x及び0
<y<1を満足する数値である。)から成る第2の層と
の複合層から成るバッファ層と、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物系化合物
層を含んでいる半導体領域と、前記半導体領域の表面上
の一部に配置された第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、前記第2
の層を、化学式AlyGa1-yN(但し、yはy<x及び
0≦y<1を満足する数値である。)で表すこともでき
る。この化学式において、yが0の場合に前記第2の層
はGaNになる。
The present invention for solving the above problems and achieving the above objects provides a semiconductor light emitting device having a nitride-based compound semiconductor, which comprises silicon or a silicon compound containing impurities. Substrate having low resistivity and one main surface being a (111) just plane or a plane tilted in the range of −4 to +4 degrees from the (111) plane in the crystal plane orientation indicated by the Miller index And a first layer of Al x Ga 1 -x N (where x is a numerical value satisfying 0 <x ≦ 1), which is disposed on one main surface of the substrate, and GaN or Al y. Ga 1-y N (where y is y <x and 0
It is a numerical value that satisfies <y <1. And a semiconductor layer including a plurality of nitride-based compound layers disposed on the buffer layer to obtain a light emitting function, The present invention relates to a semiconductor light emitting device, comprising: a first electrode arranged on a part of the surface of the substrate and a second electrode arranged on the other main surface of the substrate. Incidentally, the second
The layers formula Al y Ga 1-y N (where, y is a number which satisfies y <x and 0 ≦ y <1.) May also be represented by. In this chemical formula, when y is 0, the second layer is GaN.

【0006】なお、請求項2に示すように、前記バッフ
ァ層は、AlxGa1-xNから成る複数の第1の層と、G
aN又はAlyGa1-yNから成る複数の第2の層とを有
し、前記第1の層と前記第2の層が交互に積層されてい
ることが望ましい。また、請求項3に示すように、前記
バッファ層における前記第1の層の厚みが、量子力学的
トンネル効果が生じるように設定され、前記第2の層の
厚みが10nm〜300nmとされていることが望まし
い。また、請求項4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ことが望ましい。ま
た、請求項5に示すように、発光機能を得るための前記
半導体領域の前記複数の窒化物系化合物半導体層のそれ
ぞれは、GaN(窒化ガリウム)層、AlInN(窒化
インジウム アルミニウム)層、AlGaN(窒化ガリ
ウム アルミニウム)層、InGaN(窒化ガリウム
インジウム)層、及びAlInGaN(窒化ガリウム
インジウム アルミニウム)層から選択されたものであ
ることが望ましい。即ち、例えば、後述の実施形態の半
導体層13、活性層14、及び半導体層15等の窒化物
系化合物半導体層のそれぞれは、窒化ガリウム系化合物
半導体層又は窒化インジウム系化合物半導体層であるこ
とが望ましい。また、請求項6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物系化
合物半導体から成る第1の導電形の第1の半導体層と、
前記第1の半導体層の上に配置された窒化物系化合物半
導体から成る活性層と、前記活性層の上に配置された窒
化物系化合物半導体から成り且つ前記第1の導電形と反
対の導電形を有している第2の半導体層とを備えている
ことが望ましい。また、請求項7に示すように、窒化物
系化合物半導体を有する半導体発光素子の製造方法にお
いて、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且つ一方の主面がミラー指数で
示す結晶の面方位において(111)ジャスト面又は
(111)面から−4度から+4度の範囲で傾いている
面である基板を用意する工程と、前記基板上に、気相成
長法によってAlxGa1-xN(但し、xは、0<x≦1
を満足する数値である。)から成る第1の層とGaN又
はAlyGa1-yN(但しyは、y<x及び0<y<1を
満足する数値である。)から成る第2の層とを順次に形
成してバッファ層を得る工程と、前記バッファ層上に、
発光機能を得るための複数の窒化物系化合物層から成る
半導体領域を気相成長法で形成する工程と、前記半導体
領域の表面上の一部に第1の電極を形成し、前記基板の
他方の主面に第2の電極を形成する工程とを有している
ことが望ましい。
According to a second aspect of the present invention, the buffer layer includes a plurality of first layers made of Al x Ga 1 -x N and G.
It is preferable to have a plurality of second layers made of aN or Al y Ga 1-y N, and the first layers and the second layers be alternately laminated. Further, as set forth in claim 3, the thickness of the first layer in the buffer layer is set so that a quantum mechanical tunnel effect occurs, and the thickness of the second layer is set to 10 nm to 300 nm. Is desirable. Further, as described in claim 4, it is desirable that the second layer contains silicon as an n-type impurity. Further, as described in claim 5, each of the plurality of nitride-based compound semiconductor layers in the semiconductor region for obtaining a light emitting function includes a GaN (gallium nitride) layer, an AlInN (indium aluminum nitride) layer, and an AlGaN ( Gallium aluminum nitride layer, InGaN (gallium nitride)
Indium) layer and AlInGaN (gallium nitride)
It is preferably selected from the Indium Aluminum layer. That is, for example, each of the nitride-based compound semiconductor layers such as the semiconductor layer 13, the active layer 14, and the semiconductor layer 15 of the embodiments described later is a gallium nitride-based compound semiconductor layer or an indium nitride-based compound semiconductor layer. desirable. Further, as described in claim 6, the semiconductor region includes a first semiconductor layer of a first conductivity type formed of a nitride-based compound semiconductor, which is disposed on the buffer layer,
An active layer made of a nitride-based compound semiconductor arranged on the first semiconductor layer, and a conductivity made of a nitride-based compound semiconductor arranged on the active layer and having a conductivity opposite to the first conductivity type. And a second semiconductor layer having a shape. According to a seventh aspect of the present invention, in the method for manufacturing a semiconductor light emitting device having a nitride-based compound semiconductor, the semiconductor light emitting device is made of silicon or a silicon compound containing impurities and has a low resistivity and one main surface has a Miller index. A step of preparing a substrate which is a (111) just plane or a plane tilted in the range of −4 to +4 degrees from the (111) plane in the plane orientation of the crystal shown, and Al on the substrate by vapor phase epitaxy. x Ga 1-x N (where x is 0 <x ≦ 1
Is a numerical value that satisfies. ) And a second layer of GaN or Al y Ga 1-y N (where y is a numerical value satisfying y <x and 0 <y <1) are sequentially formed. To obtain a buffer layer, and on the buffer layer,
A step of forming a semiconductor region composed of a plurality of nitride compound layers for obtaining a light emitting function by a vapor phase epitaxy method, and forming a first electrode on a part of the surface of the semiconductor region, And a step of forming a second electrode on the main surface of.

【0007】[0007]

【発明の効果】各請求項の発明によれば次の効果が得ら
れる。 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できる。 AlxGa1-xN(但し、xは、0<x<1を満足す
る数値である。)から成る第1の層の格子定数は、発光
機能を得るための窒化物系化合物半導体の格子定数より
もシリコンの格子定数に近い値を有する。従ってバッフ
ァ層に第1の層を含めると、バッファ機能が良くなり、
発光機能を有する窒化物系化合物半導体層の結晶性及び
平坦性を改善することができる。 バッファ層は第1の層の他に第2の層を有する。第1
及び第2の層の複合層からなるバッファ層は、良好なバ
ッファ機能を発揮し、シリコン又はシリコン化合物から
成る基板の結晶方位を良好に引き継いだ発光用半導体領
域の形成が可能になり、結晶性及び平坦性が良い発光用
半導体領域が得られる。要するに、本発明に従う第1の
層と第2の層との組み合せによって全体として電気的抵
抗が小さく且つ良好なバッファ機能を有するバッファ層
が得られ、この結果として、発光用半導体領域の平坦性
及び発光特性が改善される。もし、シリコン又はシリコ
ン化合物から成る基板の一方の主面に、GaN半導体層
のみから成るバッファ層を形成した場合、基板とGaN
とは格子定数の差が大きい為、このバッファ層の上面に
平坦性に優れた窒化物系化合物半導体領域を形成するこ
とができない。 基板の主面の結晶面方位が(111)ジャスト面又
は(111)ジャスト面からのオフ角度が小さい面であ
るので、基板の上にバッファ層及び発光機能を有する半
導体領域を良好に形成することができ、発光効率を高め
ることができる。即ち、基板の主面の面方位を(11
1)ジャスト面又は(111)ジャスト面からのオフ角
度が小さい面とすることによって、バッファ層及び発光
機能を有する半導体領域の結晶表面の原子ステップ即ち
原子レベルでのステップを無くすこと又は小さくするこ
とができる。もし、(111)ジャスト面からのオフ角
度の大きい主面上にバッファ層及び発光機能を有する半
導体領域を形成すると、これ等に原子レベルで見て比較
的大きいステップが生じる。エピタキシャル成長層が比
較的厚い場合には多少のステップはさほど問題にならな
いが、例えば活性層のような数nmオ−ダの厚みの薄い
層を有する発光素子の場合には、発光素子を通電状態と
した時にステップの近傍に発光に寄与しない電流即ち無
効電流が流れ、発光効率が低下する。これに対して、基
板の主面を(111)ジャスト面又はオフ角度の小さい
面とすれば、ステップが小さくなり、無効電流も少なく
なり、発光効率が大きくなる。 バッファ層が導電性を有するので、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いる。この結
果、第1及び第2の電極間の電流通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。 バッファ層の内の少なくとも第1の層はAlを含む。A
lを含む第1の層の熱膨張係数は基板の熱膨張係数とGa
N系化合物半導体から成る発光用半導体領域の熱膨張係
数との中間の値を有する。従って、バッファ層は基板と
発光用半導体領域との熱膨張係数の差に起因する歪の発
生を比較的良好に抑制する。請求項2の発明において
は、複数の第1の層と複数の第2の層とを交互に積層し
てバッファ層を構成するので、複数の薄い第1の層が分
散配置される。この結果、バッファ層の導電性を確保し
且つバッファ層全体として良好なバッファ機能を得るこ
とができ、バッファ層の上に形成される半導体領域の結
晶性が良くなる。請求項3の発明によれば、第2の層の
厚みが10nm〜300nmの範囲に制限されているの
で、バッファ層の抵抗値の増大を抑えて発光素子の消費
電力及び動作電圧を低くすることができる。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。請求項4の発明によれば、第2の
層をn形半導体領域にすることができるのみでなく、第
2の層が不純物を含むために抵抗が小さくなり、第1及
び第2の電極間の抵抗及び電圧を小さくすることがで
き、電力損失の少ない発光素子を提供することができ
る。請求項5の発明によれば、バッファ層上に発光機能
を有する半導体領域を良好に形成することができる。請
求項6の発明によれば、活性層が互いに反対導電形の2
つの半導体層で挟まれた構造を有するため、発光特性の
良好な半導体発光素子を提供できる。請求項7の発明に
よれば、特性の良い半導体発光素子を安価且つ容易に形
成することができる。
According to the invention of each claim, the following effects can be obtained. Since the substrate is silicon or a silicon compound which is relatively inexpensive, the cost of the light emitting element can be reduced. The lattice constant of the first layer made of Al x Ga 1-x N (where x is a number satisfying 0 <x <1) is a lattice of a nitride-based compound semiconductor for obtaining a light emitting function. It has a value closer to the lattice constant of silicon than the constant. Therefore, including the first layer in the buffer layer improves the buffer function,
The crystallinity and flatness of the nitride compound semiconductor layer having a light emitting function can be improved. The buffer layer has a second layer in addition to the first layer. First
And the buffer layer composed of the composite layer of the second layer exerts a good buffer function, and it becomes possible to form a light emitting semiconductor region which succeeds favorably the crystal orientation of the substrate made of silicon or a silicon compound, and the crystallinity is improved. Also, a light emitting semiconductor region having good flatness can be obtained. In short, the combination of the first layer and the second layer according to the present invention provides a buffer layer having a small electric resistance and a good buffer function as a whole, and as a result, the flatness of the light emitting semiconductor region and The light emission characteristics are improved. If a buffer layer composed of only a GaN semiconductor layer is formed on one main surface of a substrate composed of silicon or a silicon compound, the substrate and GaN
Since there is a large difference in lattice constant between and, it is impossible to form a nitride-based compound semiconductor region having excellent flatness on the upper surface of this buffer layer. Since the crystal plane orientation of the main surface of the substrate is a (111) just plane or a plane having a small off-angle from the (111) just plane, a buffer layer and a semiconductor region having a light emitting function should be favorably formed on the substrate. Therefore, the luminous efficiency can be improved. That is, the plane orientation of the main surface of the substrate is (11
1) Eliminating or reducing atomic steps on the crystal surface of the buffer layer and the semiconductor region having a light emitting function, that is, steps at the atomic level, by making the off surface from the just surface or the (111) just surface small. You can If a buffer layer and a semiconductor region having a light emitting function are formed on the main surface having a large off-angle from the (111) just plane, a relatively large step occurs at the atomic level. If the epitaxial growth layer is relatively thick, some steps are not so problematic. However, in the case of a light emitting device having a thin layer of several nm order, such as an active layer, the light emitting device should be turned on. When this is done, a current that does not contribute to light emission, that is, a reactive current, flows in the vicinity of the step, and the light emission efficiency decreases. On the other hand, if the main surface of the substrate is a (111) just surface or a surface with a small off angle, the number of steps is small, the reactive current is small, and the luminous efficiency is large. Since the buffer layer has conductivity, the first and second electrodes are arranged so as to face each other. As a result, it is possible to reduce the resistance value of the current path between the first and second electrodes and reduce the power consumption and operating voltage. At least the first layer of the buffer layers contains Al. A
The coefficient of thermal expansion of the first layer including l is equal to that of the substrate and Ga
It has an intermediate value with the thermal expansion coefficient of the light emitting semiconductor region made of an N-based compound semiconductor. Therefore, the buffer layer relatively well suppresses the occurrence of strain due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate and the light emitting semiconductor region. In the invention of claim 2, since the plurality of first layers and the plurality of second layers are alternately laminated to form the buffer layer, the plurality of thin first layers are dispersed and arranged. As a result, the conductivity of the buffer layer can be secured and a good buffer function can be obtained as the entire buffer layer, and the crystallinity of the semiconductor region formed on the buffer layer can be improved. According to the invention of claim 3, since the thickness of the second layer is limited to the range of 10 nm to 300 nm, it is possible to suppress the increase in the resistance value of the buffer layer and reduce the power consumption and the operating voltage of the light emitting element. You can 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, which contributes to the conduction of carriers in the second layer. The energy level that appears is increased apparently. As a result, the substrate and the second
The energy band discontinuity between the first and second layers becomes relatively large, and the resistance and voltage between the first and second electrodes during the 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 the conduction of carriers in the second layer is suppressed. The increase in energy levels involved is suppressed. As a result, 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. According to the invention of claim 4, not only the second layer can be an n-type semiconductor region, but also the second layer contains impurities, so that the resistance becomes small, and thus the resistance between the first and second electrodes is reduced. It is possible to reduce the resistance and voltage of the device, and to provide a light emitting element with less power loss. According to the invention of claim 5, the semiconductor region having a light emitting function can be favorably formed on the buffer layer. According to the invention of claim 6, the active layers have conductivity types opposite to each other.
Since it has a structure sandwiched between two semiconductor layers, it is possible to provide a semiconductor light emitting device having excellent light emitting characteristics. According to the invention of claim 7, it is possible to inexpensively and easily form a semiconductor light emitting device having good characteristics.

【0008】[0008]

【第1の実施形態】次に、図1及び図2を参照して本発
明の第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。
First Embodiment Next, a gallium nitride-based compound blue light emitting diode as a semiconductor light emitting device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.

【0009】図1及び図2に示す本発明の第1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半導体層から成る半導体領
域10と、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の半導体層としてのn形半導体層13、p形
のInGaN(窒化ガリウム インジウム)から成る発
光層即ち活性層14、及び第2の半導体層としてのGa
N(窒化ガリウム)から成るp形半導体層15とから成
る。従って、半導体領域10の各層は窒化ガリウム系化
合物半導体から成る。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1
6の一方の主面(上面)即ちp形半導体層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形半導体層13、活性層1
4、及びp形半導体層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。
The blue light emitting diode according to the first embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 and 2 is a semiconductor region 10 including a plurality of gallium nitride-based compound semiconductor layers for obtaining a light emitting function, and a sub region including a silicon semiconductor. It has a straight or substrate 11 and a buffer layer 12. The semiconductor region 10 having a light emitting function includes an n-type semiconductor layer 13 as a first semiconductor layer made of GaN (gallium nitride), a light emitting layer or active layer 14 made of p-type InGaN (gallium indium nitride), and a second layer. Ga as a semiconductor layer of
And a p-type semiconductor layer 15 made of N (gallium nitride). Therefore, each layer of the semiconductor region 10 is made of a gallium nitride-based compound semiconductor. Substrate 1 composed of a laminated body of a substrate 11, a buffer layer 12, and a semiconductor region 10 having a light emitting function
6, the anode electrode 17 as the first electrode is arranged on one main surface (upper surface) of the p-type semiconductor layer 15, and the other main surface (lower surface) of the base 16 is the other main surface of the substrate 11. A cathode electrode 18 as a second electrode is arranged on the surface. Buffer layer 12, n-type semiconductor layer 13, active layer 1
4 and the p-type semiconductor layer 15 are epitaxially grown on the substrate 11 with the respective crystal orientations sequentially aligned.

【0010】基板11は、導電形決定不純物としてAs
(砒素)を含むn+形シリコン単結晶から成る。この基板
11のバッファ層12が配置されている側の主面11a
は、ミラー指数で示す結晶の面方位において(111)
ジャスト面である。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・c
m程度である。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形半導体層15、活性層14及びn形半
導体層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。
The substrate 11 contains As as a conductivity determining impurity.
It consists of an n + type silicon single crystal containing (arsenic). The main surface 11a of the substrate 11 on the side where the buffer layer 12 is arranged
Is (111) in the crystal plane orientation indicated by the Miller index.
It is a just side. The impurity concentration of this substrate 11 is 5 ×
It is about 10 18 cm −3 to 5 × 10 19 cm −3 , and the resistivity of this substrate 11 is 0.0001 Ω · cm to 0.01 Ω · c.
It is about m. 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 large 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, which is composed of the p-type semiconductor layer 15, the active layer 14, and the n-type semiconductor layer 13. To do.

【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。
The buffer layer 12 arranged so as to cover the entire one main surface of the substrate 11 includes a plurality of first layers 12a.
And a plurality of second layers 12b are alternately laminated. 1 and 2, for convenience of illustration, the buffer layer 12 is shown as two first layers 12a and two second layers 12b.
1st layer 12a and 10 2nd layers 12b.

【0012】第1の層12aは、 化学式 AlxGa1-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
(窒化ガリウム アルミニウム)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は、絶縁性を有する
極薄い膜である。第1の層12aの格子定数及び熱膨張
係数は第2の層12bよりもシリコン基板11に近い。
従って、第1の層11aは第2の層12bよりもバッフ
ァ作用が大きい。
The first layer 12a is formed of a material that can be represented by the chemical formula Al x Ga 1 -x N, where x is any numerical value satisfying 0 <x≤1. That is, the first layer 12a is made of AlN (aluminum nitride) or AlGaN.
(Gallium aluminum aluminum). In the embodiment of FIGS. 1 and 2, AlN (aluminum nitride) corresponding to the material in which x in the above formula is set to 1 is the first layer 12a.
Is used for. The first layer 12a is an extremely thin film having an insulating property. The lattice constant and the thermal expansion coefficient of the first layer 12a are closer to the silicon substrate 11 than the second layer 12b.
Therefore, the first layer 11a has a larger buffering action than the second layer 12b.

【0013】第2の層12bは、GaN(窒化ガリウ
ム)又は 化学式AlyGa1-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AlyGa1-y
から成るn形半導体を使用する場合には、第2の層12
b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。第2の層12bは第1の層1
2aの電気的接続導電体又は半導体として機能する。
The second layer 12b may be represented by GaN (gallium nitride) or the chemical formula Al y Ga 1-y N, where y is any numerical value satisfying y <x and 0 <y <1. It is an extremely thin film of n-type semiconductor made of a material that can be used. Al y Ga 1-y N is used as the second layer 12b.
When using an n-type semiconductor consisting of
In order to suppress the increase in the electrical resistance of b, y is 0 <y <0.
It is desirable that the value satisfying 8 is larger than 0 and smaller than 0.8. The second layer 12b is the first layer 1
It functions as an electrical connection conductor or semiconductor of 2a.

【0014】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n形半導体領域13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。
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 Å, and 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 n-type semiconductor region 13 formed on the upper surface of the buffer layer 12 cannot be maintained well. The thickness of the first layer 12a is 10 nm
When it exceeds, the quantum mechanical tunnel effect cannot be obtained well, and the electrical resistance of the buffer layer 12 increases.

【0015】第2の層12bの厚みは、好ましくは10
nm〜300nm即ち100〜3000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10nm未満の場合には、
基板11と第2の層12b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アノー
ド電極17とカソード電極18との間の抵抗及び電圧V
fが比較的大きくなる。また、第2の層12bの厚みが
10nm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を超えた場合に
は、バッファ層12全体に対する第1の層11aの割合が
低下し、バッファ機能が相対的に小さくなり、半導体領
域10の平坦性が良好に保てなくなる。
The thickness of the second layer 12b is preferably 10
nm to 300 nm, that is, 100 to 3000 angstroms
The thickness is more preferably 10 nm to 300 nm. When the thickness of the second layer 12b is less than 10 nm,
The discontinuity of the energy band between the substrate 11 and the second layer 12b becomes relatively large, and the resistance and voltage V between the anode electrode 17 and the cathode electrode 18 during the operation of the light emitting element.
f becomes relatively large. When the thickness of the second layer 12b is less than 10 nm, one first layer 11a formed on the second layer 12b and the other first layer 11a formed under the second layer 12b. The electrical connection between the first layer 11a and the first layer 11a is not achieved well, and the electrical resistance of the buffer layer 12 increases. When the thickness of the second layer 12b exceeds 300 nm, the ratio of the first layer 11a to the entire buffer layer 12 decreases, the buffer function becomes relatively small, and the flatness of the semiconductor region 10 becomes good. I can't keep it.

【0016】図4は第2の層12bの厚みT2と発光素
子の発光動作時におけるアノード電極17とカソード電
極18との間の電圧Vfとの関係を示す。この図4から
明らかなように、上記厚みT2が10nmよりも小さい
時には電圧Vfが約4Vよりも高くなる。これに対し
て、厚みT2が10nm又はこれよりも大きい時には、
電圧Vfが4Vよりも小さくなる。第2の層12bの厚
みT2が10nm未満の時には、第2の層12bによる
第1の層12aの相互間の電気的接続機能が低下すると
共に、シリコン基板11と第2の層12bとのエネルギ
バンドの不連続性が大きくなる。即ち、第2の層12b
の厚みが10nmよりも薄い時には、第2の層12b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12b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。即ち、第1の層1
2aと第2の層12bが超格子の状態になる。この結
果、基板11と第2の層12b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ア
ノード電極17とカソード電極18との間の抵抗及び電
圧Vfが比較的大きくなる。これに対し、第2の層12
bの厚みが10nm以上になると、第2の層12b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12b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。即ち、
第1の層12aと第2の層12bが超格子の状態になる
ことが阻止される。この結果、基板11と第2の層12
bとの間のエネルギバンドの不連続性の悪化が抑制さ
れ、アノード電極17とカソード電極18との間の抵抗
及び電圧Vfが低くなる。従って、この実施例では、第
1の層12aの厚みT1が5nm、第2の層12bの厚
みT2が30nmに設定されている。従って、バッファ
層12全体の厚みは350nmである。
FIG. 4 shows the relationship between the thickness T2 of the second layer 12b and the voltage Vf between the anode electrode 17 and the cathode electrode 18 during the light emitting operation of the light emitting element. As is apparent from FIG. 4, when the thickness T2 is smaller than 10 nm, the voltage Vf becomes higher than about 4V. On the other hand, when the thickness T2 is 10 nm or more,
The voltage Vf becomes smaller than 4V. When the thickness T2 of the second layer 12b is less than 10 nm, the function of electrically connecting the first layer 12a to each other by the second layer 12b is deteriorated and the energy between the silicon substrate 11 and the second layer 12b is reduced. Band discontinuity increases. That is, the second layer 12b
Is less than 10 nm, discrete energy levels are generated in the valence band and conduction band of the second layer 12b, and the energy levels involved in carrier conduction are apparent in the second layer 12b. To increase. That is, the first layer 1
2a and the second layer 12b are in a superlattice state. As a result, the discontinuity of the energy band between the substrate 11 and the second layer 12b becomes relatively large, and the resistance and the voltage Vf between the anode electrode 17 and the cathode electrode 18 during the operation of the light emitting element are compared. Grows larger. On the other hand, the second layer 12
When the thickness of b is 10 nm or more, generation of discrete energy levels in the valence band and the conduction band of the second layer 12b is suppressed, and the energy levels involved in the conduction of carriers in the second layer 12b are suppressed. Is suppressed. That is,
The first layer 12a and the second layer 12b are prevented from becoming a superlattice state. As a result, the substrate 11 and the second layer 12
The deterioration of the discontinuity of the energy band with b is suppressed, and the resistance between the anode electrode 17 and the cathode electrode 18 and the voltage Vf are lowered. Therefore, in this embodiment, the thickness T1 of the first layer 12a is set to 5 nm and the thickness T2 of the second layer 12b is set to 30 nm. Therefore, the thickness of the entire buffer layer 12 is 350 nm.

【0017】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。
Next, a method of manufacturing a semiconductor light emitting device in which the first layer 12a is AIN and the second layer is GaN will be described.

【0018】まず、図3の(A)に示すn形不純物が導
入されたn+形シリコン半導体から成る基板11を用意
する。バッファ層12を形成するためのシリコン基板1
1の一方の主面11aは、ミラー指数で示す結晶の面方
位において(111)ジャスト面、即ち正確な(11
1)面である。しかし、図3において0で示す(11
1)ジャスト面に対して−θ〜+θで示す範囲で基板1
1の主面11aを傾斜させることができる。−θ〜+θ
の範囲は−4°〜+4°であり、好ましくは−3°〜+3
°であり、より好ましくは−2°〜+2°である。
First, a substrate 11 made of an n + type silicon semiconductor having an n type impurity introduced therein is prepared as shown in FIG. Silicon substrate 1 for forming buffer layer 12
One main surface 11a of 1 is a (111) just plane in the crystal plane orientation indicated by the Miller index, that is, an exact (11) plane.
1) surface. However, in FIG.
1) Substrate 1 within the range of -θ to + θ with respect to the just surface
The main surface 11a of No. 1 can be inclined. −θ to + θ
Is -4 ° to + 4 °, preferably -3 ° to +3
°, and more preferably −2 ° to + 2 °.

【0019】図5は基板11の主面11aの(111)
ジャスト面に対するオフ角度θと発光強度比との関係を
示す。ここでの発光強度比は、基板11の主面11aが
(111)ジャスト面された発光素子を所定電流で駆動
した時の発光強度即ち発生光量Q1と基板11の主面1
1aが(111)面を基準にして(112)面方向に角
度θだけ傾いた面にされた発光素子を所定電流で駆動し
た時の発光強度即ち発生光量Q2との比Q2/Q1を示
す。この図5から明らかなように(111)面からのオ
フ角度θが−4°〜+4°の範囲で発光強度比Q2/Q1
が約0.05以上となり、−3°〜+3°の範囲で発光
強度比Q2/Q1が約0.5以上となり、−2°〜+2°
の範囲で発光強度比Q2/Q1が0.8以上になる。ここ
で、発光強度比が大きいことは、発光素子の発光効率が
大きいことを意味する。シリコン基板11の主面11a
の結晶方位を、(111)ジャスト面又は(111)ジ
ャスト面からのオフ角度が小さい面とすることによっ
て、バッファ層12及び発光機能を有する半導体領域1
0をエピタキシャル成長させる際の原子レベルでのステ
ップを無くすこと又は小さくすることができる。もし、
主面11aの結晶方位が(111)ジャスト面からのオ
フ角度が大きくなるように設定されている場合には、シ
リコン基板11の主面11a上にバッファ層12及び発
光機能を有する半導体領域10をエピタキシャル成長で
形成する時に、原子レベルで見て比較的大きいステップ
が生じる。エピタキシャル成長層が比較的厚い場合には
多少のステップはさほど問題にならないが、活性層14
のように例えば2nmのように薄い場合には、発光素子
を通電状態とした時にステップの近傍に発光に寄与しな
い電流即ち無効電流が流れ、発光効率が低下する。これ
に対して、シリコン基板11の主面11aを(111)
ジャスト面又はオフ角度の小さい面とすれば、ステップ
が無くなるか又は小さくなり、無効電流も少なくなり、
発光効率が大きくなる。
FIG. 5 shows (111) of the main surface 11a of the substrate 11.
The relationship between the off-angle θ with respect to the just surface and the emission intensity ratio is shown. The light emission intensity ratio here is the light emission intensity when the light emitting element in which the main surface 11a of the substrate 11 is (111) just faced is driven by a predetermined current, that is, the generated light amount Q1 and the main surface 1 of the substrate 11.
1a shows a light emission intensity when a light emitting element whose surface is inclined by an angle θ in the (112) plane direction with respect to the (111) plane is driven by a predetermined current, that is, a ratio Q2 / Q1 to a generated light quantity Q2. As is apparent from FIG. 5, the emission intensity ratio Q2 / Q1 is in the range where the off angle θ from the (111) plane is -4 ° to + 4 °.
Is about 0.05 or more, the emission intensity ratio Q2 / Q1 is about 0.5 or more in the range of -3 ° to + 3 °, and -2 ° to + 2 °.
In this range, the emission intensity ratio Q2 / Q1 becomes 0.8 or more. Here, a large emission intensity ratio means that the luminous efficiency of the light emitting element is large. Main surface 11a of silicon substrate 11
By setting the crystal orientation of the (111) just plane or a plane having a small off angle from the (111) just plane, the buffer layer 12 and the semiconductor region 1 having a light emitting function.
It is possible to eliminate or reduce steps at the atomic level when epitaxially growing 0. if,
When the crystal orientation of the main surface 11a is set so that the off angle from the (111) just plane becomes large, the buffer layer 12 and the semiconductor region 10 having a light emitting function are formed on the main surface 11a of the silicon substrate 11. When formed by epitaxial growth, relatively large steps occur at the atomic level. If the epitaxial growth layer is relatively thick, some steps are not so important, but the active layer 14
For example, when the thickness is as thin as 2 nm, a current that does not contribute to light emission, that is, a reactive current flows near the step when the light emitting element is energized, and the light emission efficiency decreases. On the other hand, the main surface 11a of the silicon substrate 11 is (111)
If it is a just surface or a surface with a small off angle, steps will be eliminated or reduced, and reactive current will also decrease.
Luminous efficiency increases.

【0020】次に、図3(B)に示すように基板11の
主面11a上にバッファ層12を形成する。このバッフ
ァ層12は、周知のMOCVD(Metal Organic Chem
icalVapor 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
成する。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T
MA(トリメチルアルミニウム)ガスとNH3 (アンモ
ニア)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
供給量を約0.14mol/minとした。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83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のn形のGaNから成る第2の層12b
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、TMGガスの流量即ちGaの供給量を約63μ
mol/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。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Al
Nから成る第1の層12aとGaNから成る第2の層1
2b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。
Next, as shown in FIG. 3B, the buffer layer 12 is formed on the main surface 11a of the substrate 11. The buffer layer 12 is a well-known MOCVD (Metal Organic Chem).
ical Vapor Deposition), that is, the first layer 12a made of AlN and the second layer 12b made of GaN are repeatedly laminated by metal organic chemical vapor deposition. That is, the silicon single crystal substrate 11 is subjected to MOCVD.
It is placed in the reaction chamber of the apparatus and first subjected to thermal annealing to remove the oxide film on the surface. Next, T in the reaction chamber
MA (trimethylaluminum) gas and NH 3 (ammonia) gas are supplied for about 24 seconds to form a first layer 12a made of an AlN layer having a thickness of about 5 nm on one main surface of the substrate 11. In this embodiment, the heating temperature of the substrate 11 is set to 1120.
After the temperature was set to 0 ° C., the flow rate of TMA gas, that is, the supply amount of Al was about 63 μmol / min, and the flow rate of NH 3 gas, that is, the supply amount of NH 3 was set to about 0.14 mol / min. Then, the heating temperature of the substrate 11 is set to 1120 ° C., the supply of TMA gas is stopped, and then TMG (trimethylgallium) is introduced into the reaction chamber.
Gas and NH 3 (ammonia) gas and SiH 4 (silane)
A gas is supplied for about 83 seconds, and on the upper surface of the first layer 12a made of AlN formed on one main surface of the substrate 11,
Second layer 12b made of n-type GaN having a thickness of about 30 nm
To form. Here, the SiH 4 gas is for introducing Si as an n-type impurity into the formed film. In this embodiment, the flow rate of TMG gas, that is, the supply amount of Ga is about 63 μm.
mol / min, the flow rate of NH 3 gas, that is, the supply amount of NH 3 was about 0.14 mol / min, and the flow rate of SiH 4 gas, that is, the supply amount of Si was about 21 nmol / min. In this embodiment, the first layer 12a made of AlN and GaN described above are used.
The formation of the second layer 12b of Al is repeated 10 times.
First layer 12a made of N and second layer 1 made of GaN
A buffer layer 12 in which 20 layers of 2b are alternately laminated is formed. Of course, the first layer 12a made of AlN and the second layer 12b made of GaN can be changed to an arbitrary number such as 50 layers.

【0021】次に、バッファ層12の上面に周知のMO
CVD法によってn形半導体層13、活性層14及びp
形半導体層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形半導体層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4.3μmo
l /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形半導体層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
体層の厚みが約4.0〜5.0μmであるから、これに
比べて図1の本実施例のn形半導体層13はかなり肉薄
に形成されている。また、n形半導体層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1
2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。
Next, a well-known MO is formed on the upper surface of the buffer layer 12.
The n-type semiconductor layer 13, the active layer 14 and the p layer are formed by the CVD method.
Shaped semiconductor layer 15 is sequentially and continuously formed. That is, the substrate 11 having the buffer layer 12 formed on the upper surface thereof is placed in the reaction chamber of the MOCVD apparatus, and trimethylgallium gas, that is, TMG gas, NH 3 (ammonia) gas,
SiH 4 (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 layer 13. In this embodiment, the buffer layer 12
After the heating temperature of the substrate 11 on which is formed is 1040 ° C., the flow rate of TMG gas, that is, the supply amount of Ga is about 4.3 μmo.
l / min, the flow rate of NH 3 gas, that is, the supply amount of NH 3 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. Further, in this embodiment, the thickness of the n-type semiconductor layer 13 is set to about 0.2 μm. In the case of the conventional general light emitting diode, since the thickness of the n-type semiconductor layer is about 4.0 to 5.0 μm, the thickness of the n-type semiconductor layer 13 of this embodiment of FIG. Has been formed. The impurity concentration of the n-type semiconductor layer 13 is about 3 × 10 18 cm −3 , which is sufficiently lower than the impurity concentration of the substrate 11. According to this embodiment, the buffer layer 1
Since 2 is interposed, the n-type semiconductor layer 13 can be formed at a relatively high temperature such as 1040 ° C.

【0022】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、C
2 Mgガスという。)を供給してn形半導体層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、NH
3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 /mi
n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。
Then, the heating temperature of the substrate 11 is set to 800 ° C., TMG gas and ammonia gas are added to the reaction chamber, and trimethylindium gas (hereinafter, referred to as TMI gas) and biscyclopentaenyl magnesium gas (hereinafter, referred to as C).
It is called p 2 Mg gas. ) Is supplied to form an active layer 14 made of p-type InGaN (indium gallium nitride) on the upper surface of the n-type semiconductor layer 13. Here, the Cp 2 Mg gas is for introducing Mg (magnesium) as an impurity of the p-type conductivity type into the active layer 14. In this embodiment, the flow rate of TMG gas is about 1.1 μmol / min, NH
The flow rate of 3 gas is about 67 mmol / min, the flow rate of TMI gas, that is, the amount of supplied In is about 4.5 μmol / min, Gp2
The flow rate of Mg gas, that is, the supply amount of Mg is about 12 nmol / mi
It was set to n. The thickness of the active layer 14 is about 2 nm, that is, 20
Angstrom. The impurity concentration of the active layer 14 is about 3 × 10 17 cm −3 .

【0023】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Cp
2 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形半導体層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53.6
μmol /min、Cp2 Mgガスの流量を約0.12μ
mol /minとした。また、p形半導体層15の厚みは
約0.2μmとした。なお、p形半導体層15の不純物
濃度は約3×1018cm-3である。
Subsequently, the heating temperature of the substrate 11 is set to 1040 ° C.
And TMG gas, ammonia gas and Cp in the reaction chamber.
2 Mg gas is supplied to p-type GaN on the upper surface of the active layer 14.
A p-type semiconductor layer 15 made of (gallium nitride) is formed. In this embodiment, the flow rate of TMG gas at this time is about 4.
3 μmol / min, flow rate of ammonia gas is about 53.6
μmol / min, Cp 2 Mg gas flow rate about 0.12μ
It was set to mol / min. The thickness of the p-type semiconductor layer 15 is about 0.2 μm. The impurity concentration of the p-type semiconductor layer 15 is about 3 × 10 18 cm −3 .

【0024】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形半導体層1
3、活性層14及びp形半導体層15の結晶方位を揃え
ることができる。
According to the MOCVD growth method described above, the buffer layer 12 can be formed in which the crystal orientation of the substrate 11 made of silicon single crystal is favorably inherited. In addition, the n-type semiconductor layer 1 with respect to the crystal orientation of the buffer layer 12
3. The crystal orientations of the active layer 14 and the p-type semiconductor layer 15 can be aligned.

【0025】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形半導体層15の上面に付着さ
せることによって形成し、p形半導体層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。
The anode electrode 17 as the first electrode is
For example, nickel and gold are formed by adhering to the upper surface of the semiconductor substrate 16, that is, the upper surface of the p-type semiconductor layer 15 by a well-known vacuum deposition method or the like, and brought into low resistance contact with the surface of the p-type semiconductor layer 15. The anode electrode 17 has a circular planar shape as shown in FIG. 2, and is arranged substantially at the center of the upper surface of the semiconductor substrate 16. A region 19 where the anode electrode 17 is not formed on the upper surface of the semiconductor substrate 16.
Function as a light extraction region.

【0026】第2の電極としてのカソード電極18は、
n形半導体層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。
The cathode electrode 18 as the second electrode is
For example, titanium and aluminum are formed on the entire lower surface of the substrate 11 by the well-known vacuum deposition method or the like without forming the n-type semiconductor layer 13.

【0027】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。
When the blue light emitting diode shown in FIG. 1 is attached to an external device, for example, the cathode electrode 18 is fixed to an external electrode such as a circuit board with solder or a conductive adhesive, and the anode electrode 17 is formed by a well-known wire bonding method. A wire is electrically connected to the external electrode.

【0028】本実施形態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格子定数が
シリコンとGaNとの間の値を有するAlNから成る第
1の層12a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の一方の主面に、n形半導体層13、活性層14及
びp形半導体層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、比較的厚いAlN
のみでバッファ層を形成すると、バッファ層の抵抗が大
きくなる。また、比較的薄いAlNのみでバッファ層を形
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
から成る複数の第1の層12aが介在し、且つ第1の層
12aの相互間に第2の層12bが介在した複合構造の
バッファ層12が設けられている。このため、バッファ
層12の上に平坦性及び結晶性の良いGaN系半導体領域
10を形成することができる。この結果、GaN系半導
体領域10の発光特性が良くなる。 (4) 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。 (5) 基板11とGaN系半導体領域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AlNか
らなる第1の層12a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。また。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の平均的な熱膨張係数は
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。 (6) シリコン基板11の主面11aの結晶面方位を
(111)ジャスト面としたので、半導体領域10のス
テップが抑制され、発光効率を高めることができる。 (7) 第2の層12bの厚みが10nm以上の30n
mに設定されているので、第2の層12b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12b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。即ち、第1の層
12aと第2の層12bが超格子状態になることが阻止
される。この結果、基板11と第2の層12bとの間の
エネルギバンドの不連続性の悪化が抑制され、アノード
電極17とカソード電極18との間の抵抗及び電圧Vf
が低くなる。 (8) バッファ層12が導電性を有するので、対向配置
されているアノード電極17とカソード電極18との間
に、順方向電圧を印加すると、半導体基体16の厚み方
向(縦方向)に順方向電流が流れる。このため、アノー
ド電極17とカソ−ド電極18と間の抵抗値及び電圧Vf
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。 (9) 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形半導体層15及び活性層14に相当するも
のの一部を除去してn形半導体層13の一部を露出さ
せ、この露出したn形半導体層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形半導体層の面積が大きく
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。
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 significantly lower in cost than sapphire and has good workability, can be used, the material cost and the production cost can be reduced. Therefore, the cost of the GaN-based light emitting diode can be reduced. (2) The first layer 12a made of AlN and having a lattice constant having a value between silicon and GaN formed on the one main surface of the substrate 11 favorably inherits the crystal orientation of the substrate 11 made of silicon. You can As a result, the GaN-based semiconductor region 10 including the n-type semiconductor layer 13, the active layer 14, and the p-type semiconductor layer 15 can be favorably formed on one main surface of the buffer layer 12 with the crystal orientations aligned. Therefore, the characteristics of the GaN-based semiconductor region 10 are improved and the emission characteristics are also improved. (3) When the semiconductor region 10 is formed via the buffer layer 12 formed by stacking a plurality of first layers 12a and second layers 12b, the semiconductor region 10 has improved flatness. That is, if a buffer layer composed of only 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,
A GaN-based semiconductor region having excellent flatness cannot be formed on the upper surface of this buffer layer. Also, relatively thick AlN
If the buffer layer is formed only by itself, the resistance of the buffer layer increases. In addition, if the buffer layer is made of only relatively thin AlN, a sufficient buffer function cannot be obtained. On the other hand, in the present embodiment, the substrate 11 and the GaN-based semiconductor region 10 are
And AlN having a relatively small lattice constant difference with silicon
A buffer layer 12 having a composite structure is provided in which a plurality of first layers 12a consisting of and a second layer 12b are interposed between the first layers 12a. Therefore, the GaN-based semiconductor region 10 having good flatness and crystallinity can be formed on the buffer layer 12. As a result, the emission characteristics of the GaN-based semiconductor region 10 are improved. (4) Since each of the plurality of first layers 12a included in the buffer layer 12 is set to have a thickness that causes a quantum mechanical tunnel effect, an increase in the resistance of the buffer layer 12 can be suppressed. . (5) It is possible to suppress the occurrence of strain due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate 11 and the GaN-based semiconductor region 10. That is, since the coefficient of thermal expansion of silicon and the coefficient of thermal expansion of GaN are significantly different, if the both are directly laminated, distortion due to the difference in coefficient of thermal expansion is likely to occur. However, the thermal expansion coefficient of the first layer 12a made of AlN in this example has an intermediate value between the thermal expansion coefficient of the substrate 11 and the thermal expansion coefficient of the GaN-based semiconductor region 10. Also. The average thermal expansion coefficient of the buffer layer 12 composed of the composite layer of the first layer 12a and the second layer 12b has an intermediate value between the thermal expansion coefficient of the substrate 11 and the thermal expansion coefficient of the GaN-based semiconductor region 10. . Therefore, the buffer layer 12 can suppress the occurrence of strain due to the difference in thermal expansion coefficient between the substrate 11 and the GaN semiconductor region 10. (6) Since the crystal plane orientation of the main surface 11a of the silicon substrate 11 is the (111) just plane, steps in the semiconductor region 10 are suppressed and the light emission efficiency can be improved. (7) The thickness of the second layer 12b is 30 nm, which is 10 nm or more.
Since m is set to m, generation of discrete energy levels in the valence band and the conduction band of the second layer 12b is suppressed, and the energy levels involved in the conduction of carriers in the second layer 12b are suppressed. Growth is suppressed. That is, the first layer 12a and the second layer 12b are prevented from entering the superlattice state. As a result, the deterioration of the discontinuity of the energy band between the substrate 11 and the second layer 12b is suppressed, and the resistance between the anode electrode 17 and the cathode electrode 18 and the voltage Vf.
Will be lower. (8) Since the buffer layer 12 has conductivity, when a forward voltage is applied between the anode electrode 17 and the cathode electrode 18 which are arranged to face each other, the forward direction is applied in the thickness direction (vertical direction) of the semiconductor substrate 16. An electric current flows. Therefore, the resistance value between the anode electrode 17 and the cathode electrode 18 and the voltage Vf
Can be lowered, and the power consumption of the light emitting diode can be reduced. (9) The cathode electrode 18 can be formed more easily than in a light emitting device using a conventional sapphire substrate. That is, in the case of a light emitting device using a conventional sapphire substrate, parts of the p-type semiconductor layer 15 and the active layer 14 in FIGS. 1 and 2 are removed to expose a part of the n-type semiconductor layer 13. Then, it becomes necessary to connect a cathode electrode to the exposed n-type semiconductor layer 13. Therefore, the conventional light emitting device has a drawback that the cathode electrode is difficult to form, and that the area of the n-type semiconductor layer is large because the cathode electrode is formed. The light emitting device of FIGS. 1 and 2 does not have the above drawbacks.

【0029】[0029]

【第2の実施形態】次に、図6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6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。
Second Embodiment Next, a semiconductor device according to a second embodiment will be described with reference to FIG. However, in FIG. 6, the substantially same parts as those in FIG. 1 are designated by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.

【0030】図6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2
0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。
In the semiconductor device shown in FIG. 6, a transistor 20 as another semiconductor element is provided on the silicon substrate 11 of the light emitting diode shown in FIG. Transistor 2
0 consists of a collector region C, a base region B and an emitter region E formed in a P-type semiconductor region 21 for element isolation. In this way, by combining the light emitting diode and the transistor, it is possible to reduce the size and cost of the circuit device including them.

【0031】[0031]

【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) 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。 (2) n形半導体層13、活性層14及びp形半導層
15のそれぞれを、複数の半導体層の組み合せで構成す
ることができる。 (3)n形半導体層13、活性層14及びp形半導層1
5のそれぞれの材料を、GaN(窒化ガリウム)、Al
InN(窒化インジウム アルミニウム)、AlGaN
(窒化ガリウム アルミニウム)、InGaN(窒化ガ
リウム インジウム)、及びAlInGaN(窒化ガリ
ウム インジウム アルミニウム)から選択された窒化
ガリウム系化合物半導体又は窒化インジウム系化合物半
導体とすることができる。 (4)n形半導体層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。 (5) 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。 (6) アノ−ド電極17を透明電極とすることができ
る。 (7) バッファ層12の第1の層12aの数を第2の
層12bよりも1層多くしてバッファ層12の最上層を第
1の層12aとすることができる。また、逆に第2の層1
2bの数を第1の層12aの数よりも1層多くすることも
できる。 (8) 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。 (9) 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。
[Modification] The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the following modifications are possible. (1) The conductivity type of each layer of the semiconductor substrate 16 can be reversed from that of the embodiment. (2) Each of the n-type semiconductor layer 13, the active layer 14, and the p-type semiconductor layer 15 can be configured by combining a plurality of semiconductor layers. (3) n-type semiconductor layer 13, active layer 14 and p-type semiconductor layer 1
GaN (gallium nitride), Al
InN (Indium Aluminum Nitride), AlGaN
A gallium nitride-based compound semiconductor or an indium nitride-based compound semiconductor selected from (gallium aluminum nitride), InGaN (gallium indium aluminum), and AlInGaN (gallium indium aluminum) can be used. (4) The active layer 14 made of GaInN can be directly contacted on the buffer layer 12 by omitting the n-type semiconductor layer 13. As a result, the tensile stress applied to the active layer 14 is relaxed as compared with the case where the active layer 14 is formed with a thick AlGaN cladding layer interposed. Therefore, the crystallinity of the active layer 14 is improved, and the light emitting characteristics of the light emitting element are further improved. (5) A P + type semiconductor region for ohmic contact can be provided under the anode electrode 17. (6) The anode electrode 17 can be a transparent electrode. (7) The number of the first layers 12a of the buffer layer 12 is increased by one more than that of the second layers 12b, and the uppermost layer of the buffer layer 12 is
It may be one layer 12a. On the contrary, the second layer 1
It is also possible to increase the number of 2b by one more than the number of first layers 12a. (8) The first layer 12a and the second layer 12b may contain impurities as long as the functions thereof are not impaired. (9) The substrate 11 can be made of polycrystalline silicon other than single crystal silicon or a silicon compound such as SiC.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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。
FIG. 1 is a central longitudinal sectional view showing a light emitting diode according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1の発光ダイオードの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of the light emitting diode of FIG.

【図3】図1の発光ダイオ−ドの構造を製造工程順に拡
大して示す断面図である。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the structure of the light emitting diode of FIG. 1 in an enlarged manner in the order of manufacturing steps.

【図4】第2の層の厚みと順方向電圧との関係を示す図
である。
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a thickness of a second layer and a forward voltage.

【図5】シリコン基板の主面の(111)ジャスト面に
対するオフ角度と発光強化比との関係を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the off angle of the main surface of the silicon substrate with respect to the (111) just surface and the emission enhancement ratio.

【図6】第2の実施形態の半導体装置を示す断面図であ
る。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a semiconductor device of a second embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 GaN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 AlNから成る第1の層 12b GaNから成る第2の層 13 n形半導体層 14 活性層 15 p形半導体層 16 基体 18 アノード電極 19 カソード電極 10 GaN-based semiconductor region 11 Substrate made of silicon single crystal 12 buffer layers 12a First layer of AlN 12b Second layer composed of GaN 13 n-type semiconductor layer 14 Active layer 15 p-type semiconductor layer 16 base 18 Anode electrode 19 Cathode electrode

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Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 窒化物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リコン化合物から成り且つ低
い抵抗率を有し且つ一方の主面がミラー指数で示す結晶
の面方位において(111)ジャスト面又は(111)
面から−4度から+4度の範囲で傾いている面である基
板と、 前記基板の一方の主面上に配置され、AlxGa1-x
(但し、xは0<x≦1を満足する数値である。)から
成る第1の層とGaN又はAlyGa1-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
る第2の層との複合層から成るバッファ層と、 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
複数の窒化物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の一部に配置された第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。
1. A semiconductor light emitting device having a nitride-based compound semiconductor, which is made of silicon containing impurities or a recon compound and has a low resistivity and one main surface of which has a crystal plane orientation indicated by a Miller index. (111) Just surface or (111)
A substrate, which is a surface inclined in the range of −4 degrees to +4 degrees from the plane, and is disposed on one main surface of the substrate, and is made of Al x Ga 1 -x N
(However, x is a numerical value satisfying 0 <x ≦ 1) and GaN or Al y Ga 1-y N (where y satisfies y <x and 0 <y <1) A semiconductor layer including a buffer layer formed of a composite layer with a second layer of (3) and a plurality of nitride compound layers disposed on the buffer layer to obtain a light emitting function. And a first electrode arranged on a part of the surface of the semiconductor region, and a second electrode arranged on the other main surface of the substrate.
【請求項2】 前記バッファ層は、AlxGa1-xNから
成る複数の第1の層と、GaN又はAlyGa1-yNから
成る複数の第2の層とを有し、前記第1の層と前記第2の
層が交互に積層され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。
2. The buffer layer has a plurality of first layers made of Al x Ga 1-x N and a plurality of second layers made of GaN or Al y Ga 1-y N, and The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the first layer and the second layer are alternately laminated.
【請求項3】 前記バッファ層における前記第1の層の
厚みが、量子力学的トンネル効果が生じるように設定さ
れ、前記第2の層の厚みが10nm〜300nmとされ
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。
3. The thickness of the first layer in the buffer layer is set so that a quantum mechanical tunnel effect is produced, and the thickness of the second layer is set to 10 nm to 300 nm. The semiconductor light emitting device according to claim 1.
【請求項4】 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又は2又は3記載の
半導体発光素子。
4. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the second layer contains silicon as an n-type impurity.
【請求項5】 前記半導体領域の前記複数の窒化物系化
合物半導体層のそれぞれは、GaN(窒化ガリウム)
層、AlInN(窒化インジウム アルミニウム)層、
AlGaN(窒化ガリウム アルミニウム)層、InG
aN(窒化ガリウム インジウム)層、及びAlInG
aN(窒化ガリウム インジウム アルミニウム)層
から選択されたものであることを特徴とする請求項1又
は2又は3又は4記載の半導体発光素子。
5. Each of the plurality of nitride-based compound semiconductor layers in the semiconductor region is GaN (gallium nitride).
Layer, AlInN (indium aluminum nitride) layer,
AlGaN (gallium aluminum nitride) layer, InG
aN (gallium nitride indium) layer and AlInG
The semiconductor light emitting device according to claim 1, 2 or 3 or 4, wherein the semiconductor light emitting device is selected from an aN (gallium indium aluminum nitride) layer.
【請求項6】 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物系化合物半導体
から成る第1の導電形の第1の半導体層と、 前記第1の半導体層の上に配置された窒化物系化合物半
導体から成る活性層と、 前記活性層の上に配置された窒化物系化合物半導体から
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の半導体層とを備えていることを特徴とする
請求項1又は2又は3又は4又は5記載の半導体発光素
子。
6. The semiconductor region is disposed on the buffer layer, the first conductivity type first semiconductor layer made of a nitride-based compound semiconductor, and the semiconductor region disposed on the first semiconductor layer. An active layer made of a nitride-based compound semiconductor, and a second conductive type 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, 2 or 3 or 4 or 5, further comprising:
【請求項7】 窒化物系化合物半導体を有する半導体発
光素子の製造方法であって、 不純物を含むシリコン又はシリコン化合物からなり且つ
低い抵抗率を有し且つ一方の主面がミラー指数で示す結
晶の面方位の結晶方位において(111)ジャスト面又
は(111)面から−4度から+4度の範囲で傾いてい
る面である基板を用意する工程と、 前記基板の一方の主面上に、気相成長法によってAlx
Ga1-xN(但し、xは、0<x≦1を満足する数値で
ある。)から成る第1の層とGaN又はAlyGa1-y
(但しyは、y<x及び0<y<1を満足する数値であ
る。)から成る第2の層とを順次に形成してバッファ層
を得る工程と、 前記バッファ層上に、発光機能を得るための複数の窒化
物系化合物層から成る半導体領域を気相成長法で形成す
る工程と、 前記半導体領域の表面上の一部に第1の電極を形成し、
前記基板の他方の主面に第2の電極を形成する工程とを
有していることを特徴とする半導体発光素子の製造方
法。
7. A method of manufacturing a semiconductor light emitting device having a nitride-based compound semiconductor, comprising a crystal made of silicon or a silicon compound containing impurities and having a low resistivity and one main surface of which has a Miller index. A step of preparing a substrate that is a (111) just plane or a plane inclined in a range of −4 to +4 degrees from the (111) plane in the crystal orientation of the plane orientation; Al x by phase growth method
Ga 1-x N (where x is a numerical value satisfying 0 <x ≦ 1) and GaN or Al y Ga 1-y N
(Where y is a numerical value satisfying y <x and 0 <y <1) to obtain a buffer layer by sequentially forming a second layer, and a light emitting function is provided on the buffer layer. Forming a semiconductor region composed of a plurality of nitride-based compound layers by a vapor phase epitaxy method for obtaining the above, and forming a first electrode on a part of the surface of the semiconductor region,
And a step of forming a second electrode on the other main surface of the substrate.
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