JP2003142729A - 半導体発光素子 - Google Patents
半導体発光素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 窒化ガリウム系化合物半導体発光素子の低コ
スト化を達成すると共に動作電圧の低減を図ることが困
難であった。 【解決手段】 不純物ドープの導電性を有するシリコン
半導体基板１の上にＳｉドープＡｌＮバッファ層２を介
して窒化ガリウム系半導体層を含む発光機能半導体領域
３を設ける。半導体領域３の上面にアノード電極４を設
け、基板１の下面にカソード電極５を設ける。
スト化を達成すると共に動作電圧の低減を図ることが困
難であった。 【解決手段】 不純物ドープの導電性を有するシリコン
半導体基板１の上にＳｉドープＡｌＮバッファ層２を介
して窒化ガリウム系半導体層を含む発光機能半導体領域
３を設ける。半導体領域３の上面にアノード電極４を設
け、基板１の下面にカソード電極５を設ける。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化物系化合物半
導体を用いた半導体発光素子に関する。 【０００２】 【従来の技術】ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＧａＡｌＮ
（窒化ガリウム アルミニウム）、ＩｎＧａＮ（窒化イ
ンジウム ガリウム）、ＩｎＧａＡｌＮ（窒化インジウ
ム ガリウム 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。 【０００３】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特開平４−２９７０２３号公報
に開示されてＧａx Ａｌ1-x Ｎ（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ＧａＮ）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。カソード電極はｎ形半導体領
域に接続され、アノード電極はｐ形半導体領域に接続さ
れている。 【０００４】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、カソード電極を基板
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、ここにカソード電極を接続する
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ー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。 【０００５】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、カソード電極を
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。 【０００６】上記課題を解決するため、導電性基板をシ
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成る発光機能層などを形成した半導
体発光素子を製造する試みがなされている。ここで、導
電性基板をシリコンで形成した場合には、シリコン基板
とその上の窒化ガリウム系化合物半導体層との間に、窒
化アルミニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ層を介在さ
せることによって、窒化ガリウム系化合物半導体層の結
晶性が良好に得られることが確認されている。これは、
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ層がシリ
コン基板の面方位を良好に受け継いで、この上に窒化ガ
リウム系化合物半導体層を形成できるためである。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】ところで、窒化アルミ
ニウムは、Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ系化合物半導体に
おいて最もバンドギャップが大きい。このため、シリコ
ン基板上に窒化アルミニウムから成るバッファ層を介し
て発光機能層を形成すると、シリコン基板と発光機能層
との間にバッファ層による電位障壁が形成される。即
ち、バンドギャップが６．２ｅＶのＡｌＮとバンドギャ
ップが３．４ｅＶのＧａＮ半導体とのヘテロ構造が形成
されると、比較的大きい電位障壁が生じる。このように
ＡｌＮバッファ層に基づく電位障壁が形成されると、シ
リコンから成る導電性基板を使用し、発光素子の厚み方
向に電流を流すことができる構造となっているにもかか
わらず、半導体発光素子の動作電圧が高くなる。一例と
して、サファイアから成る絶縁性基板の上に発光機能層
を形成し、素子の横方向に電流を流す構造である従来の
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に比較しても、そ
の動作電圧（順方向電圧）は２．５倍以上も大きくなっ
てしまう。 【０００８】そこで、本発明の目的は、生産性向上及び
コスト低減を図ることができ且つ動作電圧を小さくする
ことができる窒化物系化合物半導体発光素子を提供する
ことにある。 【０００９】 【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、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てい
る第１導電形の基板と、前記基板の一方の主面上に形成
され且つドナ−不純物又はアクセプタ不純物がド−ピン
グされている窒化アルミニウム層と、発光機能を得るた
めに前記窒化アルミニウム層の上に形成され且つ複数の
窒化物系化合物半導体層を有している半導体領域と、前
記半導体領域の表面上に形成された第１の電極と、前記
基板の他方の主面に形成された第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わるものであ
る。 【００１０】本発明における窒化アルミニウム層にドー
ピングするドナー不純物は、例えば、Ｓｉ（シリコ
ン）、Ｓｅ（セレン）、Ｔｅ（テルル）、Ｓ（硫黄）、
Ｏ（酸素）である。但し、ドナー不純物としてＳｉが最
も好ましい。即ち、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓ、Ｏ等はＳｉに比べ
て、伝導帯から深いエネルギー準位にドナーレベルが形
成されるため、ドナー化率があまり良くない。このた
め、Ｓｉと同様のキヤリア密度を得ようとすると、ドナ
ー不純物を高濃度にドーピングする必要があり、結晶性
の劣化を招く恐れがある。また、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓ、Ｏ等
は、Ｓｉに比べて拡散定数が大きいため、ドーピングす
べき層以外にも不純物が拡散し、急峻なドーピングプロ
ファイルを作り込むのが難しい。従って、ドナー不純物
としてＳｉを使用することが最も望ましい。なお、窒化
アルミニウム層にドナー不純物をドーピングする場合
は、窒化アルミニウム層の一方の主面及び他方の主面に
接触する半導体の導電形をｎ形とする。 【００１１】本発明における窒化アルミニウム層にドー
ピングするアクセプタ不純物は、例えば、Ｍｇ（マグネ
シウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃｄ
（カドミウム）、Ｃ（炭素）である。但し、アクセプタ
不純物としてＭｇが最も好ましい。即ち、Ｂｅ、Ｚｎ、
Ｃｄ、Ｃ等はＭｇに比べて価電子帯から深いレベルにア
クセプタレベルが形成されるため、アクセプタ化率があ
まり良くない。このため、Ｍｇと同様のキャリア密度を
得ようとすると、アクセプタ不純物を高濃度にドーピン
グする必要があり、結晶性の劣化を招く恐れがある。従
って、アクセプタ不純物としてＭｇを使用することが望
ましい。窒化アルミニウム層にアクセプタ不純物をドー
ピングする場合には、窒化アルミニウム層の一方の主面
及び他方の主面に接触する半導体の導電形をｐ形とす
る。 【００１２】窒化アルミニウム層にドーピングするドナ
ー又はアクセプタの不純物ドープ量は、５×１０１７ｃ
ｍ−３〜５×１０２０ｃｍ−３であることが望ましい。
不純物のドーピング量が５×１０１７ｃｍ−３未満にな
ると、窒化アルミニウム層にドナー又はアクセプタの不
純物準位が良好に形成されず、電位障壁を十分に低くす
ることができない。また、上記不純物ドープ量が５×１
０２０ｃｍ−３を越えると、窒化アルミニウム層の結晶
性が悪くなる。 【００１３】 【発明の効果】本発明によれば、 次の効果が得られ
る。 （１） 基板がシリコン又はシリコン化合物から成るの
で、サファイア等の従来の基板に比べて、生産性、加工
性、及びコストの点で優れており、窒化物系化合物半導
体発光素子のコストの低減を図ることができる。 （２） 基板上にバッファ機能を有する窒化アルミニウ
ム層を介して発光機能を有する窒化物系半導体領域を形
成するので、基板の面方位を良好に受け継いだ結晶性の
良好な窒化物系化合物半導体領域を形成することができ
る。このため、良好な発光特性を有する窒化物系化合物
半導体発光素子を得ることができる。 （３） 窒化アルミニウム層に導電形決定不純物がド−
ピングされているので、窒化アルミニウム層の電位障壁
を小さくすることができ、動作電圧を低減することがで
きる。 【００１４】次に、図１を参照して、本発明の１実施形
態に係わる半導体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。 【００１５】図１に示す本発明の１実施形態に従う青色
発光ダイオードは、導電形決定不純物を含むシリコン単
結晶から成る低抵抗性即ち導電性を有する半導体基板１
と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ層２
と、発光機能を得るための半導体領域３と、アノード電
極４と、カソード電極５とを有している。発光機能を有
する半導体領域３は、主成分としてガリウムと窒素とを
含む窒化ガリウム系化合物半導体層を複数有する。即
ち、この発光用半導体領域３は、ｎ形ＧａＮ（窒化ガリ
ウム）から成るｎ形半導体層６と、ｐ形のＩｎＧａＮ
（窒化ガリウムインジウム）から成る発光層７と、ｐ形
のＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体層８とを
順次に積層したものである。ｎ形半導体層６はｎ形クラ
ッド層、ｐ形半導体層８はｐ形クラッド層、発光層７は
活性層の機能を有する。バッファ層２及び発光機能を有
する半導体領域３は、基板１の上に結晶方位を揃えて順
次にエピタキシャル成長させたものである。 【００１６】基板１は、導電形決定不純物を含むシリコ
ン単結晶から成る。この基板１の不純物濃度は、５×１
０１８ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３程度であり、こ
の基板１の抵抗率は０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω
・ｃｍ程度である。この実施形態の基板１は第１導電形
不純物としてＡｓ（砒素）が導入されたｎ形シリコンか
ら成る。抵抗率が比較的低い基板１はアノード電極４と
カソード電極５との間の電流通路として機能する。ま
た、基板１は、比較的厚い約３５０μｍの厚みを有し、
ｎ形半導体領域６、発光層７及びｐ形半導体領域８から
成る発光機能を有する半導体領域３及びバッファ層２の
支持体として機能する。 【００１７】基板１の一方の主面に形成されたバッファ
層２は、窒化アルミニウムＡｌＮから成り、シリコン基
板１の上に窒化物系化合物半導体領域３（ｎ形半導体領
域６、発光層７、ｐ形半導体領域８）を良好に膜成長さ
せる機能を有する。即ち、シリコンから成る基板１の表
面に窒化物系化合物半導体、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ
等の半導体領域を直接に膜成長させることは困難である
が、ＡｌＮから成るバッファ層２を介して膜成長させれ
ば、これらの半導体領域を良好な結晶性をもつて形成す
ることができる。これは、エピタキシャル成長時に、Ａ
ｌＮから成るバッファ層２は、シリコン基板１の面方位
を良好に受け継ぐことができ、この表面に結晶性の良好
な窒化物系化合物半導体領域３を膜成長させることがで
きるためである。ＡｌＮから成るバッファ層２には、本
発明に基づいてドナー不純物としてＳｉ（シリコン）が
ドープされている。このため、バッファ層２による電位
障壁が小さくなる。 【００１８】本実施形態では、結晶性が良く且つ電位障
壁を低くすることができるようにバッファ層２のシリコ
ンのドーピング量を１×１019ｃｍ-3とした。バッファ
層２のシリコンドープ量を５×１０17ｃｍ-3未満にする
と、バッファ層２内にシリコンの不純物準位が良好に形
成されず、電位障壁を十分に低減することができない。
一方、バッファ層２のシリコンドープ量が５×１０20ｃ
ｍ-3を越えると、バッファ層２の結晶性が悪くなる。 【００１９】本実施形態の発光素子では、バッファ層２
の表面に窒化ガリウム系化合物半導体領域３を良好な結
晶性をもって形成できるように、バッファ層２の厚みを
２０ｎｍに設定した。バッファ層２の厚みが０．５ｎｍ
未満であると、バッファ層２の本来の機能、即ちこの表
面の結晶性の良好な窒化ガリウム系化合物半導体を膜成
長させる機能が十分に発揮されなくなる。一方、バッフ
ァ層２の厚みを大きくするとこの表面に膜成長される窒
化ガリウム系化合物半導体の結晶性が良好になり、ピッ
ト（微小な孔）の発生を抑制できる。しかし、例えば１
００ｎｍを越えるようにあまり厚く形成するとバッファ
層２にクラックが生じて望ましくない。従って、バッフ
ァ層２の好ましい厚みは０．５ｎｍ〜１００ｎｍであ
る。 【００２０】バッファ層２の上面に形成されているｎ形
半導体層６即ちｎ形クラッド層は、ｎ形のＧａＮから成
り、バッファ層２の表面に約２μｍの厚みで形成されて
いる。発光層７即ち活性層は、ｎ形のＩｎＧａＮから成
り、ｎ形半導体層６の表面上に約２０オングストローム
の厚みに形成されている。ｐ形半導体層８即ちｐ形クラ
ッド層は、ｐ形のＧａＮから成り、発光層７の表面上に
約０．５μｍの厚みに形成されている。 【００２１】第１の電極としてのアノード電極４はｐ形
半導体層８の上面の一部即ち中央部に接続されている。
従って、発光機能半導体領域３から放射された光を上方
向から取り出すことができる。なお、周知の光透過性導
電膜を介してアノード電極４を形成すること、周知の電
流制限層を介してアノード電極４を形成することも可能
である。 第２の電極としてのカソード電極５は基板１
の下面に接続されている。 【００２２】図１の発光ダイオ−ドを製造する時には、
まず、ｎ型Ｓｉ基板１を用意する。次に、基板１上に周
知のＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）によってド
ナ−としてシリコンがド−ピングされたＡＩＮから成る
バッファ層２、ｎ形ＧａＮから成るｎ形半導体層６、Ｉ
ｎＧａＮから成る発光層７、及びｐ形ＧａＮから成るｐ
形半導体層８を順次連続して積層形成する。即ち、ＭＯ
ＣＶＤ装置の反応室にシリコン基板１を配置し、反応室
にＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスとＮＨ3（ア
ンモニア）ガスとシラン（ＳｉＨ4）とを供給し、ｎ形
不純物としてシリコンを含むＡｌＮから成るバッファ層
２を基板１上にエピタキシヤル成長させる。次に、周知
の方法でｎ形半導体層６、発光層７、及びｐ形半導体層
８を順次にエピタキシャル成長法で形成する。 【００２３】本実施形態の半導体発光素子によれば、次
の効果が得られる。 （１） シリコン基板１を使用しているため、生産性、
加工性に優れ、且つ材料コストが低減するため、従来に
比較して安価な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が
実現できる。 （２） シリコン基板１の上に、ＡｌＮから成るバッフ
ァ層２を介して窒化ガリウム系化合物半導体領域３を形
成しているので、シリコン基板１の上にシリコン基板１
の面方位を良好に受け継いだ結晶性の良好な窒化ガリウ
ム系化合物半導体領域３を形成することができる。この
ため、良好な発光特性を有する窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子を得ることができる。 （３） ＡｌＮから成るバッファ層２にシリコンがドー
ピングされているため、ＡｌＮバッファ層２の電位障壁
を小さくすることができ、動作電圧を低減することがで
きる。シリコンのドーピングによって、ＡｌＮバッファ
層２の電位障壁を小さくでき、動作電圧を低減できる理
由は、次のように考えられる。 ＡｌＮバッファ層２のバンド内にシリコンの不純物
準位が形成され、この準位を介してキャリアがＡｌＮバ
ッファ層２を通り抜ける、いわゆるホッピング伝導が生
じ、動作電圧を低減できる。 ＡｌＮバッファ層２のバンド内にシリコンの不純物
準位が形成され、ＡｌＮバッファ層２のフェルミレベル
が伝導帯側に移動し、ＡｌＮとＧａＮのバンド不連続が
緩和され、キャリアに対する実効的な障壁の高さが低く
なり、キャリアが障壁を通過しやすくなり、動作電圧を
低減できる。 【００２４】 【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） 基板１、バッファ層２、発光機能半導体領域３
の導電形を図１の実施形態と逆にすることができる。 （２） 発光機能半導体領域３に含まれる窒化ガリウム
系半導体層の数を増やすこと又は減らすことができる。 （３） 半導体領域３の各層６、７、８をＧａＮ、Ａｌ
ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩ
ｎＧａＮ、ＡｌＮ等の窒化物系化合物半導体とすること
ができる。 （４） 本発明に従うＡｌＮ層２を発光機能層の一部と
することができる。 （５） 基板１は単結晶シリコンであることが望ましい
が、導電性を有する多結晶シリコン又はシリコン化合物
とすることができる。
導体を用いた半導体発光素子に関する。 【０００２】 【従来の技術】ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＧａＡｌＮ
（窒化ガリウム アルミニウム）、ＩｎＧａＮ（窒化イ
ンジウム ガリウム）、ＩｎＧａＡｌＮ（窒化インジウ
ム ガリウム 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。 【０００３】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特開平４−２９７０２３号公報
に開示されてＧａx Ａｌ1-x Ｎ（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ＧａＮ）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。カソード電極はｎ形半導体領
域に接続され、アノード電極はｐ形半導体領域に接続さ
れている。 【０００４】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、カソード電極を基板
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、ここにカソード電極を接続する
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ー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。 【０００５】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、カソード電極を
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。 【０００６】上記課題を解決するため、導電性基板をシ
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成る発光機能層などを形成した半導
体発光素子を製造する試みがなされている。ここで、導
電性基板をシリコンで形成した場合には、シリコン基板
とその上の窒化ガリウム系化合物半導体層との間に、窒
化アルミニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ層を介在さ
せることによって、窒化ガリウム系化合物半導体層の結
晶性が良好に得られることが確認されている。これは、
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ層がシリ
コン基板の面方位を良好に受け継いで、この上に窒化ガ
リウム系化合物半導体層を形成できるためである。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】ところで、窒化アルミ
ニウムは、Ｉｎx Ａｌy Ｇａ1-x-y Ｎ系化合物半導体に
おいて最もバンドギャップが大きい。このため、シリコ
ン基板上に窒化アルミニウムから成るバッファ層を介し
て発光機能層を形成すると、シリコン基板と発光機能層
との間にバッファ層による電位障壁が形成される。即
ち、バンドギャップが６．２ｅＶのＡｌＮとバンドギャ
ップが３．４ｅＶのＧａＮ半導体とのヘテロ構造が形成
されると、比較的大きい電位障壁が生じる。このように
ＡｌＮバッファ層に基づく電位障壁が形成されると、シ
リコンから成る導電性基板を使用し、発光素子の厚み方
向に電流を流すことができる構造となっているにもかか
わらず、半導体発光素子の動作電圧が高くなる。一例と
して、サファイアから成る絶縁性基板の上に発光機能層
を形成し、素子の横方向に電流を流す構造である従来の
窒化ガリウム系化合物半導体発光素子に比較しても、そ
の動作電圧（順方向電圧）は２．５倍以上も大きくなっ
てしまう。 【０００８】そこで、本発明の目的は、生産性向上及び
コスト低減を図ることができ且つ動作電圧を小さくする
ことができる窒化物系化合物半導体発光素子を提供する
ことにある。 【０００９】 【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、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てい
る第１導電形の基板と、前記基板の一方の主面上に形成
され且つドナ−不純物又はアクセプタ不純物がド−ピン
グされている窒化アルミニウム層と、発光機能を得るた
めに前記窒化アルミニウム層の上に形成され且つ複数の
窒化物系化合物半導体層を有している半導体領域と、前
記半導体領域の表面上に形成された第１の電極と、前記
基板の他方の主面に形成された第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わるものであ
る。 【００１０】本発明における窒化アルミニウム層にドー
ピングするドナー不純物は、例えば、Ｓｉ（シリコ
ン）、Ｓｅ（セレン）、Ｔｅ（テルル）、Ｓ（硫黄）、
Ｏ（酸素）である。但し、ドナー不純物としてＳｉが最
も好ましい。即ち、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓ、Ｏ等はＳｉに比べ
て、伝導帯から深いエネルギー準位にドナーレベルが形
成されるため、ドナー化率があまり良くない。このた
め、Ｓｉと同様のキヤリア密度を得ようとすると、ドナ
ー不純物を高濃度にドーピングする必要があり、結晶性
の劣化を招く恐れがある。また、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓ、Ｏ等
は、Ｓｉに比べて拡散定数が大きいため、ドーピングす
べき層以外にも不純物が拡散し、急峻なドーピングプロ
ファイルを作り込むのが難しい。従って、ドナー不純物
としてＳｉを使用することが最も望ましい。なお、窒化
アルミニウム層にドナー不純物をドーピングする場合
は、窒化アルミニウム層の一方の主面及び他方の主面に
接触する半導体の導電形をｎ形とする。 【００１１】本発明における窒化アルミニウム層にドー
ピングするアクセプタ不純物は、例えば、Ｍｇ（マグネ
シウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃｄ
（カドミウム）、Ｃ（炭素）である。但し、アクセプタ
不純物としてＭｇが最も好ましい。即ち、Ｂｅ、Ｚｎ、
Ｃｄ、Ｃ等はＭｇに比べて価電子帯から深いレベルにア
クセプタレベルが形成されるため、アクセプタ化率があ
まり良くない。このため、Ｍｇと同様のキャリア密度を
得ようとすると、アクセプタ不純物を高濃度にドーピン
グする必要があり、結晶性の劣化を招く恐れがある。従
って、アクセプタ不純物としてＭｇを使用することが望
ましい。窒化アルミニウム層にアクセプタ不純物をドー
ピングする場合には、窒化アルミニウム層の一方の主面
及び他方の主面に接触する半導体の導電形をｐ形とす
る。 【００１２】窒化アルミニウム層にドーピングするドナ
ー又はアクセプタの不純物ドープ量は、５×１０１７ｃ
ｍ−３〜５×１０２０ｃｍ−３であることが望ましい。
不純物のドーピング量が５×１０１７ｃｍ−３未満にな
ると、窒化アルミニウム層にドナー又はアクセプタの不
純物準位が良好に形成されず、電位障壁を十分に低くす
ることができない。また、上記不純物ドープ量が５×１
０２０ｃｍ−３を越えると、窒化アルミニウム層の結晶
性が悪くなる。 【００１３】 【発明の効果】本発明によれば、 次の効果が得られ
る。 （１） 基板がシリコン又はシリコン化合物から成るの
で、サファイア等の従来の基板に比べて、生産性、加工
性、及びコストの点で優れており、窒化物系化合物半導
体発光素子のコストの低減を図ることができる。 （２） 基板上にバッファ機能を有する窒化アルミニウ
ム層を介して発光機能を有する窒化物系半導体領域を形
成するので、基板の面方位を良好に受け継いだ結晶性の
良好な窒化物系化合物半導体領域を形成することができ
る。このため、良好な発光特性を有する窒化物系化合物
半導体発光素子を得ることができる。 （３） 窒化アルミニウム層に導電形決定不純物がド−
ピングされているので、窒化アルミニウム層の電位障壁
を小さくすることができ、動作電圧を低減することがで
きる。 【００１４】次に、図１を参照して、本発明の１実施形
態に係わる半導体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。 【００１５】図１に示す本発明の１実施形態に従う青色
発光ダイオードは、導電形決定不純物を含むシリコン単
結晶から成る低抵抗性即ち導電性を有する半導体基板１
と、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から成るバッファ層２
と、発光機能を得るための半導体領域３と、アノード電
極４と、カソード電極５とを有している。発光機能を有
する半導体領域３は、主成分としてガリウムと窒素とを
含む窒化ガリウム系化合物半導体層を複数有する。即
ち、この発光用半導体領域３は、ｎ形ＧａＮ（窒化ガリ
ウム）から成るｎ形半導体層６と、ｐ形のＩｎＧａＮ
（窒化ガリウムインジウム）から成る発光層７と、ｐ形
のＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体層８とを
順次に積層したものである。ｎ形半導体層６はｎ形クラ
ッド層、ｐ形半導体層８はｐ形クラッド層、発光層７は
活性層の機能を有する。バッファ層２及び発光機能を有
する半導体領域３は、基板１の上に結晶方位を揃えて順
次にエピタキシャル成長させたものである。 【００１６】基板１は、導電形決定不純物を含むシリコ
ン単結晶から成る。この基板１の不純物濃度は、５×１
０１８ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３程度であり、こ
の基板１の抵抗率は０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω
・ｃｍ程度である。この実施形態の基板１は第１導電形
不純物としてＡｓ（砒素）が導入されたｎ形シリコンか
ら成る。抵抗率が比較的低い基板１はアノード電極４と
カソード電極５との間の電流通路として機能する。ま
た、基板１は、比較的厚い約３５０μｍの厚みを有し、
ｎ形半導体領域６、発光層７及びｐ形半導体領域８から
成る発光機能を有する半導体領域３及びバッファ層２の
支持体として機能する。 【００１７】基板１の一方の主面に形成されたバッファ
層２は、窒化アルミニウムＡｌＮから成り、シリコン基
板１の上に窒化物系化合物半導体領域３（ｎ形半導体領
域６、発光層７、ｐ形半導体領域８）を良好に膜成長さ
せる機能を有する。即ち、シリコンから成る基板１の表
面に窒化物系化合物半導体、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ
等の半導体領域を直接に膜成長させることは困難である
が、ＡｌＮから成るバッファ層２を介して膜成長させれ
ば、これらの半導体領域を良好な結晶性をもつて形成す
ることができる。これは、エピタキシャル成長時に、Ａ
ｌＮから成るバッファ層２は、シリコン基板１の面方位
を良好に受け継ぐことができ、この表面に結晶性の良好
な窒化物系化合物半導体領域３を膜成長させることがで
きるためである。ＡｌＮから成るバッファ層２には、本
発明に基づいてドナー不純物としてＳｉ（シリコン）が
ドープされている。このため、バッファ層２による電位
障壁が小さくなる。 【００１８】本実施形態では、結晶性が良く且つ電位障
壁を低くすることができるようにバッファ層２のシリコ
ンのドーピング量を１×１019ｃｍ-3とした。バッファ
層２のシリコンドープ量を５×１０17ｃｍ-3未満にする
と、バッファ層２内にシリコンの不純物準位が良好に形
成されず、電位障壁を十分に低減することができない。
一方、バッファ層２のシリコンドープ量が５×１０20ｃ
ｍ-3を越えると、バッファ層２の結晶性が悪くなる。 【００１９】本実施形態の発光素子では、バッファ層２
の表面に窒化ガリウム系化合物半導体領域３を良好な結
晶性をもって形成できるように、バッファ層２の厚みを
２０ｎｍに設定した。バッファ層２の厚みが０．５ｎｍ
未満であると、バッファ層２の本来の機能、即ちこの表
面の結晶性の良好な窒化ガリウム系化合物半導体を膜成
長させる機能が十分に発揮されなくなる。一方、バッフ
ァ層２の厚みを大きくするとこの表面に膜成長される窒
化ガリウム系化合物半導体の結晶性が良好になり、ピッ
ト（微小な孔）の発生を抑制できる。しかし、例えば１
００ｎｍを越えるようにあまり厚く形成するとバッファ
層２にクラックが生じて望ましくない。従って、バッフ
ァ層２の好ましい厚みは０．５ｎｍ〜１００ｎｍであ
る。 【００２０】バッファ層２の上面に形成されているｎ形
半導体層６即ちｎ形クラッド層は、ｎ形のＧａＮから成
り、バッファ層２の表面に約２μｍの厚みで形成されて
いる。発光層７即ち活性層は、ｎ形のＩｎＧａＮから成
り、ｎ形半導体層６の表面上に約２０オングストローム
の厚みに形成されている。ｐ形半導体層８即ちｐ形クラ
ッド層は、ｐ形のＧａＮから成り、発光層７の表面上に
約０．５μｍの厚みに形成されている。 【００２１】第１の電極としてのアノード電極４はｐ形
半導体層８の上面の一部即ち中央部に接続されている。
従って、発光機能半導体領域３から放射された光を上方
向から取り出すことができる。なお、周知の光透過性導
電膜を介してアノード電極４を形成すること、周知の電
流制限層を介してアノード電極４を形成することも可能
である。 第２の電極としてのカソード電極５は基板１
の下面に接続されている。 【００２２】図１の発光ダイオ−ドを製造する時には、
まず、ｎ型Ｓｉ基板１を用意する。次に、基板１上に周
知のＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）によってド
ナ−としてシリコンがド−ピングされたＡＩＮから成る
バッファ層２、ｎ形ＧａＮから成るｎ形半導体層６、Ｉ
ｎＧａＮから成る発光層７、及びｐ形ＧａＮから成るｐ
形半導体層８を順次連続して積層形成する。即ち、ＭＯ
ＣＶＤ装置の反応室にシリコン基板１を配置し、反応室
にＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスとＮＨ3（ア
ンモニア）ガスとシラン（ＳｉＨ4）とを供給し、ｎ形
不純物としてシリコンを含むＡｌＮから成るバッファ層
２を基板１上にエピタキシヤル成長させる。次に、周知
の方法でｎ形半導体層６、発光層７、及びｐ形半導体層
８を順次にエピタキシャル成長法で形成する。 【００２３】本実施形態の半導体発光素子によれば、次
の効果が得られる。 （１） シリコン基板１を使用しているため、生産性、
加工性に優れ、且つ材料コストが低減するため、従来に
比較して安価な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が
実現できる。 （２） シリコン基板１の上に、ＡｌＮから成るバッフ
ァ層２を介して窒化ガリウム系化合物半導体領域３を形
成しているので、シリコン基板１の上にシリコン基板１
の面方位を良好に受け継いだ結晶性の良好な窒化ガリウ
ム系化合物半導体領域３を形成することができる。この
ため、良好な発光特性を有する窒化ガリウム系化合物半
導体発光素子を得ることができる。 （３） ＡｌＮから成るバッファ層２にシリコンがドー
ピングされているため、ＡｌＮバッファ層２の電位障壁
を小さくすることができ、動作電圧を低減することがで
きる。シリコンのドーピングによって、ＡｌＮバッファ
層２の電位障壁を小さくでき、動作電圧を低減できる理
由は、次のように考えられる。 ＡｌＮバッファ層２のバンド内にシリコンの不純物
準位が形成され、この準位を介してキャリアがＡｌＮバ
ッファ層２を通り抜ける、いわゆるホッピング伝導が生
じ、動作電圧を低減できる。 ＡｌＮバッファ層２のバンド内にシリコンの不純物
準位が形成され、ＡｌＮバッファ層２のフェルミレベル
が伝導帯側に移動し、ＡｌＮとＧａＮのバンド不連続が
緩和され、キャリアに対する実効的な障壁の高さが低く
なり、キャリアが障壁を通過しやすくなり、動作電圧を
低減できる。 【００２４】 【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） 基板１、バッファ層２、発光機能半導体領域３
の導電形を図１の実施形態と逆にすることができる。 （２） 発光機能半導体領域３に含まれる窒化ガリウム
系半導体層の数を増やすこと又は減らすことができる。 （３） 半導体領域３の各層６、７、８をＧａＮ、Ａｌ
ＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩ
ｎＧａＮ、ＡｌＮ等の窒化物系化合物半導体とすること
ができる。 （４） 本発明に従うＡｌＮ層２を発光機能層の一部と
することができる。 （５） 基板１は単結晶シリコンであることが望ましい
が、導電性を有する多結晶シリコン又はシリコン化合物
とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態に係わる発光ダイオードを
示す断面図である。 【符号の説明】 １ シリコン基板 ２ ＳｉドープＡｌＮバッファ層 ３ 発光機能半導体領域 ４ アノード電極 ５ カソード電極
示す断面図である。 【符号の説明】 １ シリコン基板 ２ ＳｉドープＡｌＮバッファ層 ３ 発光機能半導体領域 ４ アノード電極 ５ カソード電極
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 杢 哲次
埼玉県新座市北野三丁目６番３号 サンケ
ン電気株式会社内
(72)発明者 江川 孝志
愛知県名古屋市昭和区御器所町（番地な
し） 名古屋工業大学内
(72)発明者 石川 博康
愛知県名古屋市昭和区御器所町（番地な
し） 名古屋工業大学内
(72)発明者 神保 孝志
愛知県名古屋市昭和区御器所町（番地な
し） 名古屋工業大学内
Ｆターム(参考） 5F041 AA21 CA33 CA34 CA40 CA57
CA65
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 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ている第１導電形の基
板と、 前記基板の一方の主面上に形成され且つドナ−不純物又
はアクセプタ不純物がド−ピングされている窒化アルミ
ニウム層と、 発光機能を得るために前記窒化アルミニウム層の上に形
成され且つ複数の窒化物系化合物半導体層を有している
半導体領域と、 前記半導体領域の表面上に形成された第１の電極と、 前記基板の他方の主面に形成された第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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001339813A JP2003142729A (ja) | 2001-11-05 | 2001-11-05 | 半導体発光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001339813A JP2003142729A (ja) | 2001-11-05 | 2001-11-05 | 半導体発光素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003142729A true JP2003142729A (ja) | 2003-05-16 |
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ID=19154105
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001339813A Pending JP2003142729A (ja) | 2001-11-05 | 2001-11-05 | 半導体発光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003142729A (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2001
- 2001-11-05 JP JP2001339813A patent/JP2003142729A/ja active Pending
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