JP2003124511A - 積層構造体、その製造法方法、化合物半導体素子および発光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のｐ形リン化硼素系半導体層の形成手段に
おける、添加するｐ形不純物の僅かな量的変動により、
リン化硼素結晶層の抵抗が敏感に変動してしまう問題を
解決する。 【解決手段】リン化硼素系半導体層の気相成長の際に、
ｎ形不純物とｐ形不純物の双方を添加し、かつｎ形不純
物の添加に依る層内の電子濃度を上回る正孔を生成する
様にｐ形不純物を添加して、ｐ形のリン化硼素系半導体
層を得る。好ましくは、気相成長時にｎ形不純物と共
に、複数のｐ形不純物を添加してｐ形リン化硼素系半導
体層を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ｐ形不純物を添加
したｐ形リン化硼素系半導体層を備えた積層構造体、及
びその積層構造体から構成された化合物半導体素子に関
し、特に所望の導電性を有するｐ形リン化硼素系半導体
層を備えた積層構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の
一種として、リン化硼素（ＢＰ）が知られている（寺本
巌著、「半導体デバイス概論」（１９９５年３月３０
日、（株）培風館発行、２８頁参照）。共有結合性の珪
素（Ｓｉ）半導体のフィリップスのイオン結合度を０と
して、リン化硼素は、フィリップスのイオン結合度が
０．００６と小さくほとんど共有結合性の半導体である
（Ｐｈｉｌｉｐｓ著、「半導体結合論」（１９８５年７
月２５日、（株）吉岡書店発行第３刷、５１頁参照）。
また、リン化硼素は立方晶の閃亜鉛鉱（ｚｉｎｃ−ｂｌ
ｅｎｄ）型の結晶である（上記の「半導体デバイス概
論」、２８頁参照）。

【０００３】併せて、立方晶閃亜鉛鉱結晶型の半導体で
は、窒化ガリウム（ＧａＮ）等の六方晶ウルツ鉱（Ｗｕ
ｒｔｚｉｔｅ）型半導体結晶とは異なり価電子帯が縮退
している（生駒 俊明、生駒 英明共著、「化合物半導
体の基礎物性入門」（１９９１年９月１０日、（株）培
風館発行、初版）、１４〜１７頁参照）。このため、リ
ン化硼素には、例えば、イオン結合度を０．５００と高
くするウルツ鉱結晶型のＧａＮに比較して（上記の「半
導体結合論」、５１頁参照）、ｐ形の伝導層を得られ易
い特徴が備わっている。

【０００４】この特徴に依り、従来からｐ形のリン化硼
素半導体層は例えば、レーザーダイオード（ＬＤ）用途
の電極を形成するためのコンタクト層として利用されて
いる（特開平１０−２４２５６７号公報参照）。また、
砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、また
はＧａＮ単結晶基板上に、ｐ形リン化硼素半導体層を緩
衝層として備えている積層構造体から、ＬＤ或いは発光
ダイオード（ＬＥＤ）を構成する技術が開示されてい
る。また、ｐ形不純物を添加したリン化硼素と窒化アル
ミニウム・ガリウム（Ａｌ_XＧａ_1-XＮ：０≦Ｘ≦１）と
の混晶を発光層として発光素子を構成する従来技術例も
ある（特開平２−２７５６８２号公報参照）。従来技術
では、ｐ形のリン化硼素半導体層は、ｐ形不純物をマグ
ネシウム（Ｍｇ）、または亜鉛（Ｚｎ）等とした有機金
属熱分解気相成長法（ＭＯＣＶＤ）法に依り形成されて
いる（米国特許６，０６９，０２１号参照）。

【０００５】また、珪素単結晶（シリコン）を基板とし
て成長させたリン化硼素半導体層を備えた積層構造体か
ら短波長の可視光を出射する発光素子を構成する技術が
開示されている（米国特許６，０６９，０２１号参
照）。従来技術において、珪素単結晶を基板とした場
合、基板の表面をなす結晶面と同一の面指数の結晶面が
積重してなるリン化硼素半導体層がもたらされるのは公
知となっている（応用物理学会発行、「応用物理」、第
４５巻第９号（１９７６）、８９１〜８９７頁参照）。
例えば、｛１００｝結晶面を表面とする｛１００｝−珪
素単結晶基板上には、｛１００｝結晶面が積重してなる
｛１００｝−リン化硼素半導体層が成長するのが知られ
ている。また、｛１１１｝−珪素単結晶基板上には、
｛１１１｝−リン化硼素半導体層が成長することとなっ
ている（Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，１３
（３）（１９７４）、４１１〜４１６頁参照参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来技術では、ｐ形リ
ン化硼素系結晶層は、１種類のｐ形不純物をドーピング
することにより得られている。例えば、ｐ形不純物とし
てマグネシウム（Ｍｇ）のみをドーピングすることによ
り形成されている。イオン結合性の少ないリン化硼素系
結晶には、ｐ形不純物は容易に且つ効率的に取り込まれ
る。このため、従来のｐ形リン化硼素系半導体層の形成
手段では、添加するｐ形不純物の僅かな量的変動によ
り、リン化硼素結晶層の抵抗が敏感に変動してしまう問
題が発生していた。特に、ｐ形不純物の添加量の僅かな
変動に因ってｐ形不純物が過剰に取り込まれると結晶性
は悪化し、抵抗の高いリン化硼素系半導体層がもたらさ
れるのみとなり問題となっている。

【０００７】珪素単結晶基板表面と同一の指数の結晶面
からなるリン化硼素系単結晶層が得られる温度範囲は狭
いことが知られている（上記の「応用物理」、第４５巻
参照）。例えば、１０３０℃から１０８０℃の５０℃の
狭き範囲に限られている。また、この様な高温では、ｐ
形不純物の熱拡散が顕著となり、従い、層内のｐ形不純
物の濃度が変動する。このため、所望の正孔（ｈｏｌ
ｅ）濃度を有するｐ形リン化硼素系半導体層を安定して
得るに支障を来している。

【０００８】本発明は、第１に所望の導電性を有するｐ
形リン化硼素系半導体層を安定して提供できる技術手段
を提示すると共に、そのｐ形リン化硼素系半導体層を備
えた化合物半導体素子用途の積層構造体を提供する。ま
た、第２に、従来より低温において、安定して形成する
に優位なｐ形リン化硼素系半導体層の結晶構造的な構成
を提示する。これをもって、高温環境下でのｐ形不純物
の顕著な熱拡散を抑制する技術手段に依り、所望する正
孔濃度のｐ形リン化硼素系半導体層を安定して得ること
の出来ない従来技術の問題点の解決を図るものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は、次の
（１）乃至（８）項に記載の特徴を有する積層構造体を
提供するものである。 （１）単結晶基板上に形成された、ｎ形不純物とｐ形不
純物の双方が添加されたｐ形リン化硼素（ＢＰ）系半導
体層を備えていることを特徴とする積層構造体。 （２）前記ｐ形リン化硼素系半導体層に、複数のｐ形不
純物が添加されていることを特徴とする上記（１）に記
載の積層構造体。 （３）前記ｐ形リン化硼素系半導体層に添加する複数の
ｐ形不純物の一種を、マグネシウム（Ｍｇ）としたこと
を特徴とする上記（２）に記載の積層構造体。 （４）前記ｐ形リン化硼素系半導体層に添加する複数の
ｐ形不純物の一種を、ベリリウム（Ｂｅ）としたことを
特徴とする上記（２）に記載の積層構造体。 （５）前記ｐ形リン化硼素系半導体層に添加する複数の
ｐ形不純物の一種を、亜鉛（Ｚｎ）としたことを特徴と
する上記（２）に記載の積層構造体。 （６）前記ｐ形リン化硼素系半導体層が、単結晶基板の
表面をなす結晶面とは異なる面指数の結晶面を、単結晶
基板の表面に平行に配列してなる結晶層から構成されて
いることを特徴とする上記（１）乃至（５）の何れか１
項に記載の積層構造体。 （７）前記ｐ形リン化硼素系半導体層が、単結晶基板の
表面に平行に配列した｛１１０｝結晶面からなる｛１１
０｝結晶層から構成されていることを特徴とする上記
（６）に記載の積層構造体。 （８）前記｛１１０｝結晶層から構成されたｐ形リン化
硼素系半導体層が、非晶質または多結晶のリン化硼素系
半導体からなる緩衝層を介して、単結晶基板上に設けら
れていることを特徴とする上記（７）に記載の積層構造
体。また本発明は、次の（９）項に記載の積層構造体の
製造方法を提供するものである。 （９）前記ｐ形リン化硼素系半導体層を気相成長法によ
り形成することを特徴とする上記（１）乃至（８）の何
れか１項に記載の積層構造体の製造方法。

【００１０】また、本発明は次の（１０）乃至（１２）
項に記載の化合物半導体素子あるいは発光素子を提供す
る。 （１０）上記（１）乃至（８）の何れか１項に記載の積
層構造体を用いて構成した化合物半導体素子。 （１１）上記ｐ形リン化硼素系半導体層とｎ形ＩＩＩ−
Ｖ族化合物半導体層とのｐｎ接合を具備することを特徴
とする上記（１０）に記載の化合物半導体素子。 （１２）上記（１１）に記載の化合物半導体素子からな
る発光素子。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施形態に係わる
リン化硼素系半導体層は、一般式Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ
_{1- α - β - γ}Ｐ_{1- δ}Ａｓ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０
≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）で表記さ
れるリン化硼素系半導体から好適に構成できる。また例
えば、一般式Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_{1- α - β - γ}Ｐ_{1- δ}Ｎ
_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、０＜α＋β
＋γ≦１、０＜δ＜１）で表記される窒素（Ｎ）を含む
リン化硼素系半導体から構成できる。好ましくは、構成
元素数が少なく、簡便に構成できる２元結晶或いは３元
混晶から構成する。例えば、単量体リン化硼素（Ｂ
Ｐ）、リン化アルミニウム・硼素混晶（Ｂ_αＡｌ_βＰ、
但し０＜α≦１、α＋β＝１）、リン化硼素・ガリウム
混晶（Ｂ_αＧａ_δＰ、但し０＜α≦１、α＋δ＝１）、
或いはリン化硼素・インジウム混晶（Ｂ_αＩｎ_{1- α}Ｐ、
但し０＜α≦１）などから構成する。

【００１２】ｐ形リン化硼素系半導体層は、例えば、珪
素単結晶（シリコン）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、砒
化ガリウム（ＧａＡｓ）、炭化珪素（ＳｉＣ）、或いは
リン化硼素（ＢＰ）（Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．
Ｓｏｃ．，１２０（１９７３）、ｐ．ｐ．８０２〜８０
６．、及び米国特許５，０４２，０４３号公報参照）
等の単結晶を基板として気相成長法に依り成膜する。ｎ
形またはｐ形伝導性の低抵抗の単結晶を利用すると、基
板にオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極を設置できるため、
ＬＥＤ等を簡便に構成できる。特に、抵抗率を１０ミリ
オーム（ｍΩ）以下、より望ましくは１ｍΩ以下とする
低い比抵抗（抵抗率）の導電性単結晶基板は、順方向電
圧（所謂、Ｖｆ）の低いＬＥＤ、或いは放熱性に優れる
ＬＤをもたらすに貢献できる。

【００１３】ｐ形リン化硼素系半導体層を形成するため
の気相成長法としては、例えば、トリエチル硼素（（Ｃ
₂Ｈ₅）₃Ｂ）／ホスフィン（ＰＨ₃）／水素（Ｈ₂）成長
反応系を利用したＭＯＣＶＤ法がある（Ｉｎｓｔ．Ｐｈ
ｙｓ．Ｃｏｎｆ．Ｓｅｒ．，Ｎｏ．１２９（ＩＯＰ Ｐ
ｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｌｔｄ．，１９９３）、１５７〜
１６２頁参照）。また、三塩化硼素（ＢＣｌ₃）／三塩
化リン（ＰＣｌ₃）／Ｈ₂反応系ハロゲン（ｈａｌｏｇｅ
ｎ）気相成長法、或いはジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）／ＰＨ₃／
Ｈ₂反応系ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）気相成長法
を例示できる。また、分子線エピタキシャル成長法を例
示できる（Ｊ．Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍ．，
１３３（１９９７）、２６９〜２７２頁参照）。ｐ形リ
ン化硼素結晶層を形成するには、総じて、約２５０℃〜
１２００℃の温度範囲が適する。約２５０℃〜７５０℃
の比較的低温の温度領域は、非晶質或いは多結晶のリン
化硼素半導体層を得るに適する（米国特許６，１９４，
７４４Ｂ１号参照）。約７５０℃〜約１２００℃のより
高温度は単結晶のｐ形リン化硼素系半導体層を得るに有
利である。約１２００℃を越える高温では、例えばＢ₁₃
Ｐ₂の様な多量体が発生し（Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓ
ｏｃ．，４７（１）（１９６４）、４４〜４６頁）、組
成的に均質なリン化硼素系半導体層を得るに支障とな
る。

【００１４】本発明の第１の実施形態では、気相成長時
に、ｎ形不純物とｐ形不純物の双方を添加しつつ、ｐ形
のリン化硼素系半導体層を得る。即ち、リン化硼素系半
導体層の成膜時に、ｎ形不純物の添加に依る層内の電子
濃度を上回る正孔を生成する様にｐ形不純物を添加し
て、ｐ形のリン化硼素系半導体層を得る。ｐ形リン化硼
素系半導体層の気相成長時に添加（ｄｏｐｉｎｇ）する
ｎ形不純物には、珪素（Ｓｉ）等の第ＩＶ族元素に加
え、錫（Ｓｎ）、硫黄（Ｓ）、テルル（Ｔｅ）、セレン
（Ｓｅ）等の第ＶＩ族元素を例示できる。珪素の添加源
としては、シラン（ＳｉＨ₄）類、四塩化珪素（ＳｉＣ
ｌ₄）等のハロゲン化珪素、またテトラメチル珪素
（（ＣＨ₃）₄Ｓｉ）等の有機珪素化合物を例示できる。
また、有機錫化合物、硫化水素（Ｈ₂Ｓ）、有機テルル
化合物、セレン化水素（Ｈ₂Ｓｅ）もｎ形不純物の添加
源として利用できる。ｐ形不純物には、マグネシウム
（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）及びベリリウム（Ｂｅ）等の第
ＩＩ族元素を例示できる。添加源として、これらの第Ｉ
Ｉ族元素の有機金属化合物を利用できる。

【００１５】イオン結合性の小さなリン化硼素系半導体
層に、ｐ形不純物と同時に添加したｎ形不純物は、電気
的に活性化し、ドナー（ｄｏｎｏｒ）となり、アクセプ
タ（ａｃｃｅｐｔｏｒ）を補償する作用を発揮する。こ
のため、ｐ形不純物の添加量の変化量に応じた正孔濃度
の変化量を縮小させることができる。即ち、ｐ形不純物
の添加量に対して、正孔濃度の変化量を鈍化させられ、
正孔濃度の制御が容易となるため、所望の正孔濃度のｐ
形リン化硼素系半導体層を安定して得るに寄与できる。
ｐ形不純物の添加量を一定とした場合、ｎ形不純物の添
加量を増大させる程、正孔濃度の変化量を緩やかとでき
る。本発明の第１の実施形態に係わる正孔濃度を例えば
１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度とするｐ形リン化硼素系半導体層
は、例えば、ダブルヘテロ（ＤＨ）接合型発光部をなす
ｐ形クラッド（ｃｌａｄ）層として備えた発光素子用途
の積層構造体を得るに利用できる。リン化硼素系半導体
層の伝導形及びそのキャリア濃度は、例えば、一般的な
ホール（Ｈａｌｌ）効果法により調査できる。

【００１６】第１の実施形態に係わる効用をより良く説
明するために、図４に、一般的な常圧ＭＯＣＶＤ法に依
り亜鉛（Ｚｎ）を添加したリン化硼素半導体層を得る際
の、正孔濃度と亜鉛のドーパント源であるジメチル亜鉛
（（ＣＨ₃）₂Ｚｎ）の供給量との関係を示す。亜鉛を単
独で添加した場合、正孔濃度は亜鉛の添加量の増加と共
に増加し、やがて飽和する傾向を一般的に呈する。しか
し、亜鉛を単独に添加した場合では、亜鉛の添加量の増
大にともなう、正孔濃度の増加率は大きい。例えば、
（ＣＨ₃）₂Ｚｎの供給量を僅か０．４モル（ｍｏｌｅ）
増大させると、正孔濃度は約１桁増加してしまう。正孔
濃度（ｐ：単位ｃｍ^-3）と、アクセプタ濃度（Ｎａ：単
位ｃｍ^-3）及びドナー濃度（Ｎｄ：単位ｃｍ^-3）とは、
ｐ＝Ｎａ−Ｎｄ（Ｎａ＞Ｎｄ）の関係にある。従って、
アクセプタを発生させる亜鉛（Ｚｎ）と同時に、ドナー
を発生する珪素（Ｓｉ）を添加すると、ドナーにより一
部のアクセプタは電気的に補償され、得られる正孔濃度
（＝ｐ）は減少する。（ＣＨ₃）₂Ｚｎの供給量（Ｑ：単
位ｍｏｌ．）に対する正孔濃度（ｐ）の変化率（＝ｐ／
Ｑ）は、亜鉛（Ｚｎ）を単独で添加した場合、Ｎａ＞＞
Ｎｄであるため、Ｎａ／Ｑ（ｃｍ^-3／ｍｏｌ．）で近似
される。一方、同時に珪素（Ｓｉ）を添加するとＮｄは
増加し、変化率（＝ｐ／Ｑ）は（Ｎａ−Ｎｄ）／Ｑに低
下させられる。例えば、珪素（Ｓｉ）の添加量を毎分
０．８×１０^-6モルと一定とした場合の、亜鉛（Ｚｎ）
の供給量と正孔濃度の関係を図４に併せて示す。Ｑに対
しＰを緩やに変化させられる。即ち、ｐ形リン化硼素系
半導体層の正孔濃度を安定して制御するに貢献できる。

【００１７】珪素等のｎ形不純物の添加量は、亜鉛等の
ｐ形不純物の供給量の増大に拘わらず、Ｎａ≧Ｎｄの関
係を与える一定量とできる。また、亜鉛の添加量を増大
させると共に、Ｎａ≧Ｎｄの関係を維持できる様に添加
量を増大させても構わない。同時に添加する珪素の量を
増大させる手法に依れば、Ｎａの増加と共にＮｄも増加
させられ、（ＣＨ₃）₂Ｚｎの供給量に対して広範囲に亘
り、正孔濃度の変化率を小さくでき、従って、正孔濃度
を精密に制御できる。ｐ形不純物である例えば、亜鉛
（Ｚｎ）の添加源には、ジメチル亜鉛（（ＣＨ₃）₂Ｚ
ｎ）やジエチル亜鉛（（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｚｎ）を例示でき
る。マグネシウム（Ｍｇ）の添加源として、例えば、ビ
スシクロペンタジエニルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ₅
Ｈ₅）₂Ｍｇ）等を利用できる。添加源の供給量は、例え
ば、電子式質量流量制御計（ＭＦＣ）等の流量制御機器
を利用して制御できる。Ｎａ≦Ｎｄとなる状況を招く様
に、ｎ形不純物を過剰に添加するのは、リン化硼素系半
導体層の伝導形をｎ形に反転させるため不都合である。

【００１８】本発明の第２の実施形態では、気相成長時
にｎ形不純物と共に、複数種のｐ形不純物を添加してｐ
形リン化硼素系半導体層を得ることとする。ｎ形不純物
を同時に添加することに依って、リン化硼素系半導体層
へのｐ形不純物の溶解度が増加する。このため、高い正
孔濃度のｐ形リン化硼素系半導体層を得られる。例え
ば、ｎ形不純物の珪素（Ｓｉ）の供給量を０．５×１０
^-6モル／分と一定として、亜鉛（Ｚｎ）とマグネシウム
（Ｍｇ）とを同時にリン化硼素半導体層に添加した際
の、ｐ形不純物のドーピング源の供給量の合計と正孔濃
度との関係を図５に示す。亜鉛と共にマグネシウムをｐ
形不純物として添加することにより、亜鉛をｐ形不純物
として単独に添加した場合に比較して、より高い正孔濃
度のｐ形リン化硼素半導体層が帰結されるのが示されて
いる。この様に、異種のｐ形不純物を同時に添加する
と、高い正孔濃度のｐ形リン化硼素系半導体層を安定し
て得るに特に、効果がある。例えば、ｎ形不純物を珪素
（Ｓｉ）とし、加えて亜鉛（Ｚｎ）とマグネシウム（Ｍ
ｇ）とを同時に添加することに依り、１×１０¹⁹ｃｍ^-3
を越える高い正孔濃度のｐ形リン化硼素系半導体層を得
ることができる。例えば、正孔濃度を約５×１０¹⁸ｃｍ
^-3〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3とするｐ形リン化硼素系半導体層
は、ＨＢＴのベース（ｂａｓｅ）層として好適に利用で
きる。

【００１９】本発明の第３の実施形態では、気相成長法
に依る成膜時にｎ形不純物と同時に添加する複数種のｐ
形不純物の一種を特に、マグネシウム（Ｍｇ）として、
ｐ形リン化硼素系半導体層を形成する。マグネシウム
（Ｍｇ）は、リン化硼素系半導体に対してドーピングの
効率が高く、１×１０¹⁸ｃｍ^-3を越える高い正孔濃度の
ｐ形リン化硼素系半導体層を得るに好適である。マグネ
シウム（Ｍｇ）と共に添加するｐ形不純物の種類は限定
されない。しかし、多種に及ぶと各ｐ形不純物の供給量
を制御するに煩雑となるため、通常は２〜３種に留めて
おくのが好都合である。例えば、マグネシウム（Ｍｇ）
に加え亜鉛（Ｚｎ）を同時に添加して、１×１０¹⁹ｃｍ
^-3を越える高い正孔濃度のｐ形リン化硼素系半導体層を
得る手段を例示できる。併せて添加するｎ形不純物は、
ｐ形不純物の添加量に対応して増加するアクセプタを電
気的に補償するため、ｐ形不純物の添加量に対する正孔
濃度の変化量を見掛け上、鈍化させられる。従って、正
孔濃度を精密に制御するに貢献する。

【００２０】本発明の第４の実施形態では、気相成長法
に依る成膜時にｎ形不純物と同時に添加する複数種のｐ
形不純物の一種を特に、ベリリウム（Ｂｅ）として、ｐ
形リン化硼素系半導体層を形成する。ベリリウム（Ｂ
ｅ）は、硼素（Ｂ）（原子半径＝０．９８Å）と略同等
の原子半径（＝１．１２Å）を有する。従って、原子濃
度にして１×１０¹⁹ｃｍ^-3を越える高濃度に添加して
も、顕著に結晶格子に伸縮を来さずに層内に歪みを発生
させることなく、結晶性の良好なｐ形リン化硼素系半導
体層を得ることができる。ベリリウム（Ｂｅ）と共に添
加するｐ形不純物の種類は限定されない。しかし、多種
に及ぶと各ｐ形不純物の供給量を制御するに煩雑となる
ため、通常は２〜３種に留めておくのが好都合である。
例えば、ベリリウム（Ｂｅ）に加え亜鉛（Ｚｎ）を同時
に添加して、１×１０¹⁹ｃｍ^-3を越える高い正孔濃度の
ｐ形リン化硼素系半導体層を得る手段を例示できる。こ
の様な高い正孔濃度のｐ形リン化硼素系半導体層は導電
性に優れるため、例えば、素子駆動電流を発光領域に全
般的に拡散させる電流拡散層として利用できる。

【００２１】また、本発明の第５の実施形態では、ｐ形
リン化硼素系半導体層に添加する複数のｐ形不純物の一
種を亜鉛（Ｚｎ）としてｐ形リン化硼素系半導体層を構
成する。気相成長時に亜鉛（Ｚｎ）と共に添加できるｐ
形不純物には、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）やベリリ
ウム（Ｂｅ）を例示できる。亜鉛（Ｚｎ）の原子半径は
１．３８Åであり、マグネシウム（Ｍｇ）の原子半径は
１．６０Åである。従って、亜鉛（Ｚｎ）と共にマグネ
シウム（Ｍｇ）を添加すると、マグネシウム（Ｍｇ）を
単独で添加する場合に比較して結晶格子の拡張をより良
く抑制でき、よって、結晶性に優れる正孔濃度の高いｐ
形リン化硼素系半導体層を得ることができる。また、硼
素（Ｂ）より原子半径の大きな亜鉛（Ｚｎ）と逆に小さ
なベリリウム（Ｂｅ：原子半径＝１．１２Å）を同時に
添加すれば、硼素（Ｂ）原子のベリリウム（Ｂｅ）に依
る置換に起因する結晶格子の縮小を抑制するに効果を上
げられ、結晶性に優れる高い正孔濃度のｐ形リン化硼素
層を得るに寄与できる。

【００２２】ｐ形リン化硼素系半導体層を広い温度範囲
に亘り、安定して得るために、本発明の第６の実施形態
では、ｐ形リン化硼素系半導体層が、単結晶基板の表面
をなす結晶面とは異なる面指数の結晶面を、単結晶基板
の表面に平行に配列してなる結晶層から構成されたもの
とする。例えば、｛１００｝結晶面を表面とする結晶基
板上に、基板の表面に平行に配列した｛１００｝結晶面
とは別の結晶面が積重してなる結晶層からｐ形リン化硼
素系半導体層を構成する。また、例えば、｛１１１｝結
晶面を表面とする結晶基板上に、基板の表面に平行に配
列した｛１１１｝結晶面とは別の結晶面が積重してなる
結晶層からｐ形リン化硼素系半導体層を構成する。

【００２３】特に第７の実施形態では、ｐ形リン化硼素
系半導体層を、単結晶基板の表面に平行に配列した｛１
１０｝結晶面からなる｛１１０｝結晶層から構成する。
例えば、｛１００｝結晶面を表面とする結晶基板上に、
基板の表面に平行に配列した｛１１０｝結晶面を積重さ
せてなる結晶層からｐ形リン化硼素系半導体層を構成す
る。また、例えば、｛１１１｝結晶面を表面とする結晶
基板上に、基板の表面に平行に配列した｛１１０｝結晶
面を積重してなる結晶層からｐ形リン化硼素系半導体層
を構成する。

【００２４】基板表面を構成する結晶面に拘わらず、
｛１１０｝結晶面からなるｐ形リン化硼素結晶層は、結
晶基板上に低温で形成された非晶質または多結晶からな
る緩衝層を設ける技術手段に依ると効果的に得られる。
緩衝層は、基板とｐ形リン化硼素半導体層との格子不整
合性を緩和して、ミスフィット（ｍｉｓｆｉｔ）転位等
の結晶欠陥密度の小さいｐ形リン化硼素系半導体層をも
たらす作用を発揮する（上記の米国特許６，０２９，０
２１号参照）。特に、硼素（Ｂ）を構成元素として含む
含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる緩衝層は、
硼素原子の成長サイト（ｓｉｔｅ）の提供に依り、連続
性のあるｐ形リン化硼素系半導体層をもたらすに貢献で
きる。例えば、非晶質または多結晶のＢ_αＡｌ_βＧａ_γ
Ｉｎ_{1- α - β - γ}Ｐ_{1- δ}Ａｓ_δ層（０＜α≦１、０≦β＜
１、０≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）
は、ＭＯＣＶＤ法に依り、成長温度を約２５０℃〜７５
０℃の比較的に低温として形成できる。緩衝層の結晶形
態或いは緩衝層上のｐ形リン化硼素系半導体層を構成す
る結晶面は、例えば、一般的なＸ線回折法、電子線回折
法に依る回折像の解析から知れる。緩衝層を構成する非
晶質層または多結晶層の層厚は望ましくは約１ｎｍ以上
で１００ｎｍ以下、更に望ましくは２ｎｍ以上で５０ｎ
ｍ以下とする。

【００２５】緩衝層の介在に依り、｛１１０｝結晶面を
積重してなるｐ形リン化硼素系半導体層の得られる温度
範囲を拡幅することができる。例えば、トリエチル硼素
（（Ｃ ₂Ｈ₅）₃Ｂ）／ホスフィン（ＰＨ₃）／水素
（Ｈ₂）反応系常圧（略大気圧）ＭＯＣＶＤ手段では、
約７５０℃〜約１２００℃の広い温度範囲において、
｛１１０｝結晶面からなる単量体のリン化硼素半導体層
を得られる。特に、上記のＭＯＣＶＤ気相成長法におい
て、成長速度を好ましくは、毎分２ｎｍ以上で３０ｎｍ
以下とし、併せて、原料の供給量比率（＝ＰＨ₃／（Ｃ₂
Ｈ₅）₃Ｂ供給量比率）を好ましくは１５以上で６０以下
の範囲とすると、室温での禁止帯幅（ｂａｎｄ ｇａ
ｐ）を３．０±０．２ｅＶとする｛１１０｝結晶面から
なるｐ形のリン化硼素半導体層をもたらせる。例えば、
室温での禁止帯幅を３．０ｅＶとする単量体のリン化硼
素とリン化ガリウム（ＧａＰ：室温禁止帯幅≒２．３ｅ
Ｖ）とを混晶化させれば、室温禁止帯幅を約２．７ｅＶ
とする窒化リン化ガリウム混晶（Ｂ_0.50Ｇａ_0.50Ｐ）も
構成できる。この様な室温で高い禁止帯幅を有するリン
化硼素系半導体層を例えば、窒化ガリウム・インジウム
（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ：０＜Ｘ＜１）井戸層に対する障壁層
として利用すれば、例えば、量子井戸構造の発光層を備
えた発光素子用途の積層構造体を提供できる。禁止帯幅
は、例えば屈折率（＝ｎ）と消衰係数（＝ｋ）から求め
られる複素誘電率の虚数部（ε₂＝２・ｎ・ｋ）の光エ
ネルギー依存性から求められる。

【００２６】また、ｐ形リン化硼素系半導体層を、基板
表面をなす結晶面に拘わらず一定の｛１１０｝結晶面か
ら構成れば、基板表面をなす結晶面の方位の相違に因る
ドーピング効率の変動を回避できる利点がある。即ち、
所望する正孔濃度のｐ形リン化硼素系半導体層を安定し
て得ることができる。安定して得られる正孔濃度や抵抗
を有するｐ形リン化硼素系半導体層を利用すれば、特性
に優れる化合物半導体素子を安定して帰結できる積層構
造体を構成できる。例えば、（１００）結晶面を表面と
する硼素（Ｂ）を添加したｐ形珪素単結晶基板（シリコ
ン）上に次項（１）乃至（４）項に記載の構成からなる
機能層を順次積層させれば、ｐ形リン化硼素系半導体層
とｎ形ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とのｐｎ接合を具備
する発光素子用途の積層構造体を構成できる。 （１）（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ／ＰＨ₃／Ｈ₂反応系常圧ＭＯＣＶ
Ｄ法に依り３５０℃で成長させた、層厚を約１０ｎｍと
した、非晶質を主体とする多結晶からなる、亜鉛（Ｚ
ｎ）を添加したｐ形リン化硼素からなる緩衝層 （２）上記のＭＯＣＶＤ法に依り、８５０℃で成長させ
た、層厚を約１０００ｎｍとする、珪素（Ｓｉ）とベリ
リウム（Ｂｅ）とを共に添加した、｛１１０｝結晶面か
ら構成されるｐ形のリン化硼素からなる下部クラッド
（ｃｌａｄ）層 （３）トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）Ｇａ）／トリメ
チルインジウム（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ）／アンモニア（ＮＨ
₃）／Ｈ₂反応系常圧ＭＯＣＶＤ法に依り、８５０℃で成
長させた、層厚を５０ｎｍとする、珪素（Ｓｉ）を添加
したｎ形Ｇａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎからなる発光層 （４）（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ／ＰＨ₃／Ｈ₂反応系常圧ＭＯＣＶ
Ｄ法に依り、４００℃で成長させた、層厚を約５００ｎ
ｍとした、非晶質を主体とする、珪素（Ｓｉ）を添加し
たｎ形リン化硼素からなる上部クラッド層。

【００２７】特に、上記の（２）と（４）に記載のリン
化硼素からなる下部クラッド層および上部クラッド層
を、室温での禁止帯幅を３．０±０．２ｅＶとする単量
体のリン化硼素から構成すれば、下部及び上部クラッド
層に依るキャリアの「閉じ込め」作用と、上部クラッド
層の発光を外部へ効率的に透過する作用を顕現できるた
め、例えば、高強度の発光を呈するヘテロ接合型ＬＥＤ
用途の積層構造体を提供できる。ｐｎ接合型ＤＨ構造の
ＬＥＤは、上記の積層構造体の最表層をなす上部クラッ
ド層の表面にオーミック（Ｏｈｍｉｃ）性の表面電極を
設け、また、基板の裏面にオーミック性の裏面電極を配
置すれば構成できる。ｐ形リン化硼素系半導体層へのｐ
形オーミック電極は、例えば、金・亜鉛（Ａｕ・Ｚｎ）
合金、金・ベリリウム（Ａｕ・Ｂｅ）合金等から構成で
きる。また、金・ゲルマニウム（Ａｕ・Ｇｅ）合金、金
・インジウム（Ａｕ・Ｉｎ）合金、並びに金・錫（Ａｕ
・Ｓｎ）合金などの金合金等からｎ形オーミック電極を
形成できる。また、このＬＥＤを利用して、発光ランプ
を構成できる。例えば、表面に銀（Ａｇ）或いはアルミ
ニウム（Ａｌ）等の金属を鍍金したカップ（ｃｕｐ）内
にＬＥＤを固定し、ＬＥＤの表面及び裏面電極と外部端
子を結線した後、カップ及びＬＥＤを囲繞する様にエポ
キシ樹脂等で封止すればランプを構成できる。また、複
数のランプを直列或いは並列に接続すれば、定電流駆動
型または定電圧駆動型の光源を構成できる。

【００２８】

【作用】ｐ形リン化硼素系半導体層を気相成長させるに
際し、ｐ形不純物と同時に添加するｎ形不純物は、ドナ
ーとして働き、ｐ形不純物の添加にともない発生するア
クセプタを電気的に補償する作用を有する。このため、
ｐ形不純物の添加量に対する正孔濃度の変化量を緩やか
とすることができる。

【００２９】

【実施例】（第１実施例）本第１実施例では、珪素単結
晶（シリコン）基板上に設けられたｐ形リン化硼素半導
体層を備えたＬＥＤ用途の積層構造体を例にして本発明
を具体的に説明する。

【００３０】本第１実施例に係わる積層構造体１Ａの断
面模式図を図１に示す。基板１０１は、＜１１０＞方向
に角度にして７．３°傾斜させた（１１１）結晶面を表
面とする、リン（Ｐ）を添加したｎ形珪素単結晶から構
成した。基板１０１表面には、層厚を約１５ｎｍとした
非晶質を主体とするリン化硼素（ＢＰ）からなる緩衝層
１０２を設けた。緩衝層１０２は、トリエチル硼素
（（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ）／ホスフィン（ＰＨ₃）／水素
（Ｈ₂）系常圧ＭＯＣＶＤ法により３５０℃で成長し
た。

【００３１】緩衝層１０２上には、上記のＭＯＣＶＤ気
相成長法を利用して、８５０℃で成長させた、珪素（Ｓ
ｉ）を添加したｎ形リン化硼素半導体層を下部クラッド
層１０３として積層させた。珪素のドーピング源に
は、、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）−水素混合ガスを利用し
た。下部クラッド層１０３のキャリア濃度は２×１０¹⁸
ｃｍ^-3とし、層厚は７００ｎｍとした。また、下部クラ
ッド層１０３をなすｎ形リン化硼素半導体層は、成長速
度を毎分約３０ｎｍとし、原料供給量比率（＝ＰＨ₃／
（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ）を４０に設定して成膜したため、基板
１０１表面に略平行に配列した｛１１０｝結晶面から主
に構成されるものとなった。また、そのｎ形リン化硼素
半導体層の室温での禁止帯幅は３．０ｅＶであった。

【００３２】下部クラッド層１０３上には、トリメチル
ガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）／トリメチルインジウム
（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ）／アンモニア（ＮＨ₃）／Ｈ₂系常圧
ＭＯＣＶＤ法により８５０℃で、ｎ形の窒化ガリウム・
インジウム混晶（Ｇａ_0.80Ｉｎ_{0. 20}Ｎ）からなる発光層
１０４を積層させた。Ｇａ_0.80Ｉｎ_0.20Ｎ層のキャリア
濃度は３×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、また、層厚は９０ｎｍと
した。

【００３３】発光層１０４上には、上記の（Ｃ₂Ｈ₅）₃
Ｂ／ＰＨ₃／Ｈ₂系常圧ＭＯＣＶＤ法により８５０℃で、
ｎ形不純物として珪素（Ｓｉ）を、ｐ形不純物としてマ
グネシウム（Ｍｇ）及び亜鉛（Ｚｎ）の２種をドーピン
グした、ｐ形リン化硼素半導体層を上部クラッド層１０
５として積層した。珪素のドーピング源には、Ｓｉ₂Ｈ₆
−水素混合ガスを利用した。マグネシウム（Ｍｇ）及び
亜鉛（Ｚｎ）のドーピング源は各々、ビスシクロペンタ
ジエニルマグネシウム（ｂｉｓ−（Ｃ₅Ｈ₅）₂Ｍｇ）及
びジメチル亜鉛（（ＣＨ₃）₂Ｚｎ）を用い、水素との混
合ガスにして使用した。珪素（Ｓｉ）の供給量は毎分
１．０×１０^-6モルに、亜鉛（Ｚｎ）の供給量は毎分２
×１０^-6モルに、また、マグネシウム（Ｍｇ）の供給量
は毎分３×１０^-6モルに各々、設定した。上部クラッド
層１０５の正孔濃度は４±０．１×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、
層厚は約７００ｎｍとした。また、上部クラッド層１０
５をなすｐ形リン化硼素半導体層は、成長速度を毎分約
３０ｎｍとし、原料供給量比率（＝ＰＨ₃／（Ｃ₂Ｈ₅）₃
Ｂ）を４０に設定して成膜したため、室温での禁止帯幅
は約３．０ｅＶであった。

【００３４】上記の如く、（１１１）結晶面を表面とす
る珪素単結晶基板上に各機能層１０２〜１０５を順次積
層させて、ｐｎ接合型ダブルヘテロ構造の発光部を備え
た発光素子用途の積層構造体１Ａを構成した。特に、本
発明に依る高い正孔濃度と禁止帯幅を有するｐ形リン化
硼素半導体層は、発光層１０４へのキャリアの閉じ込め
と共に発光を外部に透過する機能を備えた上部クラッド
層１０５として有効に働く。

【００３５】次に上記の積層構造体１Ａから、発光ダイ
オード（ＬＥＤ）を作製する例を具体的に説明する。

【００３６】図２に作製したＬＥＤ１Ｂの平面模式図を
示す。また、図３に、図２に示す破線Ｘ−Ｘ’に沿った
ＬＥＤ１Ｂの断面模式図を示す。図２及び図３におい
て、図１に示した積層構造体１Ａと同一の構成要素につ
いては同一の符号を付してある。

【００３７】ＬＥＤ１Ｂの作製は次のように行った。ｐ
ｎ接合型ダブルヘテロ構造のＬＥＤ１Ｂを作製するにあ
たり、積層構造体１Ａの上部クラッド層１０５の中央に
は、金・亜鉛（Ａｕ・Ｚｎ）合金からなる円形（直径＝
１２０μｍ）のオーミック性のｐ形表面電極１０６を配
置した。また、ｎ形珪素単結晶基板１０１の裏面の略全
面には、アルミニウム（Ａｌ）からなるオーミック性の
ｎ形裏面電極１０７を設けた。両電極１０６、１０７と
も、電極材料を被着した後、窒素気流中において、４２
０℃で３分間、合金化（ａｌｌｏｙｉｎｇ）のための熱
処理を施した。その後、個別の発光素子に分離して、Ｌ
ＥＤ１Ｂを作製した。

【００３８】ＬＥＤ１Ｂに、２０ミリアンペア（ｍＡ）
の順方向（ｆｏｒｗａｒｄ）電流を通流したところ、次
の（ａ）〜（ｄ）項に記載の特性が得られた。 （ａ）発光中心波長：４３０ｎｍ （ｂ）輝度：６ミリカンデラ（ｍｃｄ） （ｃ）順方向電圧：３ボルト（Ｖ） （ｄ）逆方向電圧：８Ｖ（逆方向電流＝１０μＡ） 特に、発光透過層（窓層）を兼用する上部クラッド層１
０５を、本発明に係わる手段に依って達成された高い正
孔濃度で低抵抗のｐ形リン化硼素半導体層から構成した
ために、円形表面電極１０６の写影領域以外の発光層１
０４の領域からは略均等の強度の発光がもたらされるこ
ととなった。即ち、本発明に係わる正孔濃度の高いｐ形
リン化硼素半導体層を利用すれば、表面電極１０６より
供給されるＬＥＤ駆動電流を発光層１０４の広範囲な領
域に亘り都合良く拡散でき、従って、発光をもたらせる
領域を拡張できるため、発光強度が高く且つ均一なＬＥ
Ｄ１Ｂが作製できた。

【００３９】

【発明の効果】本発明では、ｐ形の伝導を呈するリン化
硼素系半導体層を気相成長法に依り得るに際し、ｎ形不
純物と、併せてｐ形不純物とを添加することとしたの
で、高い正孔濃度のｐ形リン化硼素系半導体層を安定し
て得るに貢献でき、従って、低抵抗のｐ形リン化硼素半
導体層を必要とする化合物半導体素子用途の積層構造体
を簡便に構成できる。例えば、ｐｎ接合型ヘテロ接合構
造の発光ダイオード用途の積層構造体を簡便に提供で
き、本発明に係わるｐ形リン化硼素系半導体層を具備す
る積層構造体からは、発光の強度とその均一性に優れる
青色ＬＥＤを提供できる効果がある。

【００４０】また本発明では、ｐ形の伝導を呈するリン
化硼素系半導体層を気相成長法に依り得るに際し、ｎ形
不純物と併せて添加するｐ形不純物種を複数種としたの
で、更に高い正孔濃度のｐ形リン化硼素系半導体層を簡
便に得られ、従って、低抵抗のｐ形リン化硼素半導体層
を必要とする化合物半導体素子用途の積層構造体を簡便
に構成できる。例えば、ｐｎ接合型ヘテロ接合構造の発
光ダイオード用途の積層構造体を簡便に提供でき、本発
明に係わるｐ形リン化硼素系半導体層を具備する積層構
造体からは、発光の強度とその均一性に優れる青色ＬＥ
Ｄを提供できる効果がある。

【００４１】また本発明では、ｐ形の伝導を呈するリン
化硼素系半導体層を、｛１１０｝結晶面を基板表面に平
行に積重させた｛１１０｝リン化硼素系半導体層から構
成することとしたので、従来に無く広い温度範囲におい
てｐ形リン化硼素系半導体層を得るに効果を挙げられ
る。従って、ｎ形不純物とｐ形不純物の双方を添加した
ｐ形リン化硼素系半導体層を必要とする化合物半導体素
子用途の積層構造体を簡便に構成できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施例に記載のＬＥＤ用途の積層構造体の
断面模式図である。

【図２】第１実施例に記載の積層構造体から作製したＬ
ＥＤの平面模式図である。

【図３】図２に示すＬＥＤの破線Ｘ−Ｘ’に沿った断面
模式図である。

【図４】ｐ形不純物の添加量と正孔濃度との関係を示す
図である。

【図５】複数のｐ形不純物の添加量と正孔濃度との関係
を示す図である。

【符号の説明】

１Ａ 積層構造体 １Ｂ ＬＥＤ １０１ 単結晶基板 １０２ 緩衝層 １０３ 下部クラッド層 １０４ 発光層 １０５ 上部クラッド層 １０６ 表面電極 １０７ 裏面電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G077 AA03 BE42 DB08 EB01 ED06 EF03 HA02 SA04 TB05 TC02 TK06 4M104 AA04 BB02 BB12 CC01 DD79 DD83 FF31 GG04 HH15 5F041 AA41 CA04 CA23 CA34 CA40 CA49 CA53 CA57 CA65

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単結晶基板上に形成された、ｎ形不純物と
   ｐ形不純物の双方が添加されたｐ形リン化硼素（ＢＰ）
   系半導体層を備えていることを特徴とする積層構造体。
2. 【請求項２】前記ｐ形リン化硼素系半導体層に、複数の
   ｐ形不純物が添加されていることを特徴とする請求項１
   に記載の積層構造体。
3. 【請求項３】前記ｐ形リン化硼素系半導体層に添加する
   複数のｐ形不純物の一種を、マグネシウム（Ｍｇ）とし
   たことを特徴とする請求項２に記載の積層構造体。
4. 【請求項４】前記ｐ形リン化硼素系半導体層に添加する
   複数のｐ形不純物の一種を、ベリリウム（Ｂｅ）とした
   ことを特徴とする請求項２に記載の積層構造体。
5. 【請求項５】前記ｐ形リン化硼素系半導体層に添加する
   複数のｐ形不純物の一種を、亜鉛（Ｚｎ）としたことを
   特徴とする請求項２に記載の積層構造体。
6. 【請求項６】前記ｐ形リン化硼素系半導体層が、単結晶
   基板の表面をなす結晶面とは異なる面指数の結晶面を、
   単結晶基板の表面に平行に配列してなる結晶層から構成
   されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１
   項に記載の積層構造体。
7. 【請求項７】前記ｐ形リン化硼素系半導体層が、単結晶
   基板の表面に平行に配列した｛１１０｝結晶面からなる
   ｛１１０｝結晶層から構成されていることを特徴とする
   請求項６に記載の積層構造体。
8. 【請求項８】前記｛１１０｝結晶層から構成されたｐ形
   リン化硼素系半導体層が、非晶質または多結晶のリン化
   硼素系半導体からなる緩衝層を介して、単結晶基板上に
   設けられていることを特徴とする請求項７に記載の積層
   構造体。
9. 【請求項９】前記ｐ形リン化硼素系半導体層を気相成長
   法により形成することを特徴とする請求項１乃至８の何
   れか１項に記載の積層構造体の製造方法。
10. 【請求項１０】請求項１乃至８の何れか１項に記載の積
    層構造体を用いて構成した化合物半導体素子。
11. 【請求項１１】前記ｐ形リン化硼素系半導体層とｎ形Ｉ
    ＩＩ−Ｖ族化合物半導体層とのｐｎ接合を具備すること
    を特徴とする請求項１０に記載の化合物半導体素子。
12. 【請求項１２】請求項１１に記載の化合物半導体素子か
    らなる発光素子。