JP2003179258A - Semiconductor light emitting element and manufacturing method therefor - Google Patents

Semiconductor light emitting element and manufacturing method therefor

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JP2003179258A
JP2003179258A JP2001378549A JP2001378549A JP2003179258A JP 2003179258 A JP2003179258 A JP 2003179258A JP 2001378549 A JP2001378549 A JP 2001378549A JP 2001378549 A JP2001378549 A JP 2001378549A JP 2003179258 A JP2003179258 A JP 2003179258A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the cost of a gallium nitride compound semiconductor light emitting element and to reduce an operation voltage. <P>SOLUTION: A buffer layer 2 including phosphorous, which functions as n-type impurity on silicon, is formed on an n-type conductive silicon semiconductor substrate where n-type impurity is doped. A light emitting function semiconductor region 3 including a gallium semiconductor layer is disposed on the buffer layer 2. An anode electrode 4 is disposed on the upper face of the semiconductor region 3 and a cathode electrode 5 is disposed on the lower face of the substrate 1. An inversion layer in the silicon substrate is prevented from being formed by phosphorous. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

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
導体を使用し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】近年、GaN、GaAlN、INGa
N、InGaAlN等の窒化ガリウム系化合物半導体を
用いた青色発光ダイオード等の半導体発光素子が注目さ
れている。従来の典型的な窒化ガリウム系発光素子は、
サフィアから成る絶縁性基板即ちサブストレートの上に
窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、一対の電極を
素子の上面に配置した構造、又はシリコンカーバイドか
ら成る低抵抗性基板の上に窒化ガリウム系化合物半導体
層を形成し、一対の電極を素子の上面と下面に配置した
構造となっている。
2. Description of the Related Art In recent years, GaN, GaAlN, INGa
A semiconductor light emitting device such as a blue light emitting diode using a gallium nitride-based compound semiconductor such as N or InGaAlN has received attention. A typical conventional gallium nitride-based light emitting device is
A structure in which a gallium nitride compound semiconductor layer is formed on an insulating substrate made of sapphire, that is, a substrate, and a pair of electrodes is arranged on the upper surface of the element, or a gallium nitride compound is formed on a low resistance substrate made of silicon carbide. It has a structure in which a semiconductor layer is formed and a pair of electrodes is arranged on the upper surface and the lower surface of the element.

【0003】上述の発光素子は、周知のように多数の素
子の形成されたウエハをダイシング、スクライビング、
へき開等によってチップ状に切り出して製作される。こ
の時、サフィア等から成る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は困難であ
った。更に、サファイア等はそれ自体高価であるため、
材料コストの点においても不利であった。
As is well known, the above-described light emitting device is formed by dicing, scribing, and dicing a wafer on which a large number of devices are formed.
It is manufactured by cutting out into chips by cleavage. At this time, since the substrate made of sapphire or the like has high hardness, it was difficult to perform this dicing favorably and with good productivity. Furthermore, since sapphire and the like are expensive themselves,
It was also disadvantageous in terms of material cost.

【0004】このため、サファイヤやシリコンカーバイ
ドから成る基板の代りに、シリコンから成る低抵抗性基
板を使用し、この上に窒化物系化合物半導体層を形成し
た半導体発光素子が考えられている。シリコンは、硬度
がサファイアのように高くないため、ダイシング工程等
を良好に且つ生産性良く行うことができる。また、低抵
抗性基板を使用した発光素子では、一対の電極を半導体
基板の厚み方向に形成することができるため、電流通路
の抵抗値を下げて消費電力及び動作電圧が低減されるこ
とが期待された。
Therefore, a semiconductor light emitting device in which a low resistance substrate made of silicon is used in place of the substrate made of sapphire or silicon carbide and a nitride compound semiconductor layer is formed on the substrate is considered. Since the hardness of silicon is not as high as that of sapphire, the dicing process and the like can be performed favorably and with good productivity. Further, in the light emitting device using the low resistance substrate, since the pair of electrodes can be formed in the thickness direction of the semiconductor substrate, it is expected that the resistance value of the current path is reduced and the power consumption and the operating voltage are reduced. Was done.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】ところで、低抵抗性基
板の上に窒化物系化合物半導体層を形成した場合、低抵
抗性基板をn形シリコン基板で構成すると、この上に形
成される窒化物系化合物半導体(GaN、GaAlN、
INGaN、InGaAlN等)の構成元素である3族
のアルミニウム、ガリウム、インジウム等が膜成長時の
熱処理によってシリコン基板中に拡散する。これら3族
の構成元素はn形シリコンに対してp形の不純物(アク
セプタ不純物)として機能するため、n形シリコン基板
中に拡散されるとシリコン基板の表面側(窒化物系化合
物半導体との境界面)の導電形を反転させてp形半導体
領域を生成する。この結果、n形のバッファ層又はn形
の発光層とシリコン基板のpn接合との組み合せによっ
てnpn構造が生じる。即ち、シリコン基板の下面側か
らn形半導体領域、p形半導体領域及びn形半導体領域
が積層形成される。このため、発光素子の電流通路の抵
抗値が増大し、期待されたほどの消費電力低減及び動作
電圧低減の効果が得られなかった。
By the way, when a nitride-based compound semiconductor layer is formed on a low-resistance substrate, if the low-resistance substrate is composed of an n-type silicon substrate, the nitride formed on this substrate Based compound semiconductors (GaN, GaAlN,
InGaN, InGaAlN, etc.), which are the constituent elements of Group 3, aluminum, gallium, indium, etc. diffuse into the silicon substrate by heat treatment during film growth. Since these Group 3 constituent elements function as p-type impurities (acceptor impurities) with respect to n-type silicon, when diffused into the n-type silicon substrate, the surface side of the silicon substrate (the boundary with the nitride-based compound semiconductor) The p-type semiconductor region is generated by reversing the conductivity type of the surface. As a result, an npn structure is produced by the combination of the n-type buffer layer or the n-type light emitting layer and the pn junction of the silicon substrate. That is, the n-type semiconductor region, the p-type semiconductor region, and the n-type semiconductor region are stacked from the lower surface side of the silicon substrate. Therefore, the resistance value of the current path of the light emitting element is increased, and the expected effects of power consumption reduction and operating voltage reduction cannot be obtained.

【0006】そこで、本発明の目的は、消費電力及び動
作電圧を高水準に低減することができる窒化物系化合物
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 nitride-based compound semiconductor light emitting device capable of reducing power consumption and operating voltage to a high level, and a method for manufacturing the same.

【0007】[0007]

【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、導電形決定不純物を含
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
を有している所定導電形の半導体基板と、前記基板の一
方の主面に隣接配置され且つ窒化物系化合物半導体から
成り且つシリコン半導体に対して前記基板の前記所定導
電形と同一の導電形の不純物として機能する元素を含ん
でいるバッファ層と、発光機能を得るために前記バッフ
ァ層に隣接配置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側に
配置された第1の電極と、前記基板の他方の主面側に配
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
導体発光素子に係わるものである。なお、請求項1の半
導体発光素子は請求項2又は3の方法で製造することが
望ましい。
SUMMARY OF THE INVENTION To solve the above problems and to achieve the above objects, the present invention provides a predetermined conductivity type which is made of silicon or a silicon compound containing conductivity determining impurities and has a low resistivity. And a semiconductor substrate adjacent to one main surface of the substrate, comprising a nitride-based compound semiconductor, and containing an element that functions as an impurity of the same conductivity type as the predetermined conductivity type of the substrate with respect to the silicon semiconductor. A buffer layer, a semiconductor region adjacent to the buffer layer for obtaining a light emitting function and having a plurality of nitride-based compound semiconductor layers, and a first region disposed on the front surface side of the semiconductor region. The present invention relates to a semiconductor light emitting device, comprising an electrode and a second electrode arranged on the other main surface side of the substrate. The semiconductor light emitting device of claim 1 is preferably manufactured by the method of claim 2 or 3.

【0008】本願各請求項の発明における所定導電形と
はn形又はp形である。半導体基板がn形の不純物を含
むn形の場合に、バッファ層又は発光機能を得るための
窒化物系化合物半導体層に含めるシリコン半導体に対し
て所定導電形の不純物は、例えばリン(P)、砒素(A
s)、アンチモン(Sb)等の5族元素から成るドナー
不純物である。半導体基板がp形不純物を含むp形基板
の場合に、バッファ層又は発光機能窒化物系化合物半導
体層に含める不純物は、例えばボロン(B)等の3族元
素から成るアクセプタ不純物である。バッファ層は例え
ばAlNP、AlGaInNP等の単一層、又はDBR
反射膜等の複数の層の組み合せであってもよい。バッフ
ァ層は基板と同一の導電形を有していることが望まし
い。 発光機能を得るための半導体領域は、n形半導体
層即ちnクラッド層と活性層とp形半導体層即ちp形ク
ラッド層とを有していることが望ましい。
The predetermined conductivity type in the invention of each claim of the present application is n-type or p-type. When the semiconductor substrate is n-type containing n-type impurities, the impurity of a predetermined conductivity type with respect to the silicon semiconductor included in the buffer layer or the nitride-based compound semiconductor layer for obtaining the light emitting function is, for example, phosphorus (P), Arsenic (A
s), antimony (Sb) and other group 5 elemental donor impurities. When the semiconductor substrate is a p-type substrate containing p-type impurities, the impurities contained in the buffer layer or the light-emitting functional nitride compound semiconductor layer are acceptor impurities made of a Group 3 element such as boron (B). The buffer layer is, for example, a single layer such as AlNP or AlGaInNP, or DBR.
It may be a combination of a plurality of layers such as a reflective film. The buffer layer preferably has the same conductivity type as the substrate. The semiconductor region for obtaining the light emitting function preferably has an n-type semiconductor layer, that is, an n-clad layer, an active layer, and a p-type semiconductor layer, that is, a p-type clad layer.

【0009】[0009]

【発明の効果】各請求項の発明においては、バッファ層
又は発光機能半導体層に含められているシリコン半導体
に対して所定導電形の不純物として機能する元素が基板
における反転層の形成を阻止する。これにより、不要な
pn接合の発生が阻止され、発光素子の順方向電流通路
を抵抗値を小さく保つことができ、発光素子の消費電力
及び動作電圧の低減を高水準に達成できる。
According to the invention of each claim, the element functioning as an impurity of a predetermined conductivity type with respect to the silicon semiconductor contained in the buffer layer or the light emitting functional semiconductor layer prevents formation of the inversion layer on the substrate. As a result, generation of unnecessary pn junction is prevented, the resistance value of the forward current path of the light emitting element can be kept small, and the power consumption and operating voltage of the light emitting element can be reduced to a high level.

【0010】[0010]

【実施形態】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。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, a gallium nitride-based compound blue light emitting diode as a semiconductor light emitting device according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

【0011】図1に示す本発明の1実施形態に従う発光
ダイオードは、第1導電形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、
シリコン半導体に対して第1導電形不純物として機能す
る元素を含む3−5族化合物半導体から成るバッファ層
2と、発光機能を得るための3−5族化合物半導体領域
3と、第1の電極としてのアノード電極4と、第2の電
極としてのカソード電極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、この発光機能半導体領域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)から成る活性層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、及びp形半導体層8はp形クラッド層の機能を
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。
A light emitting diode according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is a semiconductor substrate 1 having low resistance, that is, conductivity, made of a silicon single crystal containing impurities of a first conductivity type.
A buffer layer 2 made of a 3-5 group compound semiconductor containing an element that functions as a first conductivity type impurity with respect to a silicon semiconductor, a 3-5 group compound semiconductor region 3 for obtaining a light emitting function, and a first electrode And an anode electrode 4 and a cathode electrode 5 as a second electrode. The semiconductor region 3 having a light emitting function has a plurality of gallium nitride-based compound semiconductor layers containing gallium and nitrogen as main components. That is, the light emitting functional semiconductor region 3 includes the n-type semiconductor layer 6 made of n-type GaN (gallium nitride) and the p-type InGaN.
The active layer 7 made of (gallium indium nitride) and the p-type semiconductor layer 8 made of p-type GaN (gallium nitride) are sequentially laminated. The n-type semiconductor layer 6 has a function of an n-type clad layer, and the p-type semiconductor layer 8 has a function of a p-type clad layer. The buffer layer 2 and the semiconductor region 3 having a light emitting function are formed by sequentially epitaxially growing the crystal orientation on the substrate 1.

【0012】基板1は、n形(第1導電形)の不純物と
してAs(砒素)を5×1018cm−3〜5×10
19cm−3程度の比較的高濃度に含み、0.001Ω
・cm〜0.01Ω・cm程度の抵抗率を有する導電性
基板である。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、活性層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。
The substrate 1 contains As (arsenic) of 5 × 10 18 cm −3 to 5 × 10 as n-type (first conductivity type) impurities.
Included in a relatively high concentration of about 19 cm −3 , 0.001Ω
A conductive substrate having a resistivity of about cm to 0.01 Ωcm. The substrate 1 having a relatively low resistivity functions as a current path between the anode electrode 4 and the cathode electrode 5.
The substrate 1 has a relatively large thickness of about 350 μm, and has an n-type semiconductor region 6, an active layer 7, and a p-type semiconductor region 8.
And functions as a support for the semiconductor region 3 and the buffer layer 2 having a light emitting function.

【0013】基板1の一方の主面に形成されたバッファ
層2は、化学式 AlxGayIn1-X-ya1-a ここで、x及びyは 0<x≦1 0≦y<1 0<x+y≦1 を満足する数値、 aは 0<a<1 を満足する値、 で示すことができる3−5族化合物半導体にn形不純物
(例えばSi)を含めたものであることが望ましい。こ
の実施形態のバッファ層2は、上記化学式におけるx=
0.7、y=0.2、a=0.2に相当するAl0.7
0.2In0.10.20.8から成る化合物半導体にシリコ
ン(Si)をド−プしたものから成り、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、活性層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、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っ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、AlxGayIn
1-x-yNaP1-a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。
[0013] The buffer layer 2 formed on the main surface of one substrate 1, wherein the chemical formula Al x Ga y In 1-Xy N a P 1-a, x and y 0 <x ≦ 1 0 ≦ y < A numerical value satisfying 10 <x + y ≦ 1, a is a value satisfying 0 <a <1, and a compound semiconductor of group 3-5, which can be represented by, includes an n-type impurity (for example, Si). desirable. The buffer layer 2 of this embodiment has x =
Al 0.7 G corresponding to 0.7, y = 0.2, a = 0.2
a silicon substrate made of a compound semiconductor composed of a 0.2 In 0.1 N 0.2 P 0.8 and doped with silicon (Si).
Has a function of favorably growing the nitride-based compound semiconductor region 3 (n-type semiconductor region 6, active layer 7, p-type semiconductor region 8) thereon. That is, it is difficult to directly grow a nitride compound semiconductor, for example, a semiconductor region of GaN, AlGaN, or the like on the surface of the substrate 1 made of silicon, but if the film is grown via the buffer layer 2, these The semiconductor region can be formed with good crystallinity. This is because Al x Ga y In
This is because the 1-xy NaP 1-a buffer layer 2 can favorably inherit the plane orientation of the silicon substrate 1, and the nitride-based compound semiconductor region 3 having good crystallinity can be grown on this surface. is there.

【0014】n形不純物としてシリコンがド−プされた
n形のバッファ層2は、本発明に基づいてシリコン基板
1に対してn形不純物即ちドナー不純物として機能する
元素であるリン(P)を含む。リンはn形シリコン基板
1の表面がp形に反転することを防止する。即ち、バッ
ファ層2を構成するアルミニウムは3族の元素であって
シリコン基板1に対してアクセプタ不純物即ちp形不純
物として機能する。このため、バッファ層2を気相成長
法で形成する時にアルミニウムがn形のシリコン基板1
に拡散すると、シリコン基板1の表面にp形層が形成さ
れる恐れがある。しかし、本発明に従ってバッファ層2
にドナー不純物即ちn形不純物としてのリンを含める
と、アクセプタ不純物としてのアルミニウムと共にドナ
ー不純物のリンがシリコン基板1に拡散し、シリコン基
板1の表面がp形に反転することが防止される。このた
め、シリコン基板1はその厚み方向の全体に渡ってn形
を保つ。
According to the present invention, the n-type buffer layer 2 doped with silicon as the n-type impurity contains phosphorus (P), which is an element functioning as an n-type impurity, that is, a donor impurity, with respect to the silicon substrate 1. Including. Phosphorus prevents the surface of the n-type silicon substrate 1 from inverting to the p-type. That is, aluminum that constitutes the buffer layer 2 is a Group 3 element and functions as an acceptor impurity, that is, a p-type impurity with respect to the silicon substrate 1. Therefore, when the buffer layer 2 is formed by the vapor deposition method, aluminum is an n-type silicon substrate 1
When diffused into the substrate, a p-type layer may be formed on the surface of the silicon substrate 1. However, according to the invention, the buffer layer 2
Including phosphorus as a donor impurity, that is, an n-type impurity, prevents phosphorus as a donor impurity from diffusing into the silicon substrate 1 together with aluminum as an acceptor impurity, and prevents the surface of the silicon substrate 1 from being inverted to p-type. Therefore, the silicon substrate 1 maintains the n-type throughout the thickness direction.

【0015】本実施形態の発光素子では、バッファ層2
の厚みは、こ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、例えば約
20nmに設定されている。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100nm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〜100
nmである。
In the light emitting device of this embodiment, the buffer layer 2
Is set to, for example, about 20 nm so that the gallium nitride-based compound semiconductor region 3 can be formed on this surface with good crystallinity. The thickness of the buffer layer 2 is 0.
If the thickness is less than 5 nm, the original function of the buffer layer 2, that is, the function of growing a gallium nitride-based compound semiconductor having good crystallinity on the surface cannot be sufficiently exhibited. on the other hand,
When the thickness of the buffer layer 2 is increased, the crystallinity of the gallium nitride-based compound semiconductor film-grown on this surface is improved, and the generation of pits (minute holes) can be suppressed. But,
For example, if the buffer layer 2 is formed so thick as to exceed 100 nm, the buffer layer 2 is cracked, which is not desirable. Therefore, the preferable thickness of the buffer layer 2 is 0.5 nm to 100 nm.
nm.

【0016】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500nmの厚みで形成さ
れている。n形半導体領域6のn形不純物(例えばシリ
コン)の濃度は3×1018cm−3であり、シリコン
基板1のn形不純物の濃度よりも低い。
The n-type semiconductor layer 6 formed on the upper surface of the buffer layer 2, that is, the n-type cladding layer is made of n-type GaN and is formed on the surface of the buffer layer 2 to a thickness of about 500 nm. The concentration of n-type impurities (for example, silicon) in the n-type semiconductor region 6 is 3 × 10 18 cm −3 , which is lower than the concentration of n-type impurities in the silicon substrate 1.

【0017】n形半導体領域6の上に形成された活性層
7はp形GaInNから成り、約500nmの厚みを有
し、且つ3×1017cm−3のp形不純物濃度を有す
る。このp形不純物はマグネシウムである。
The active layer 7 formed on the n-type semiconductor region 6 is made of p-type GaInN, has a thickness of about 500 nm, and has a p-type impurity concentration of 3 × 10 17 cm -3 . This p-type impurity is magnesium.

【0018】活性層7の上に形成されたp形半導体領域
即ちp形クラッド層8はp形GaNから成り、約500
nmの厚みを有し、且つ3×1018cm−3のp形不
純物濃度を有する。このp形不純物はマグネシウムであ
る。
The p-type semiconductor region or p-type cladding layer 8 formed on the active layer 7 is made of p-type GaN and has a thickness of about 500.
and a p-type impurity concentration of 3 × 10 18 cm −3 . This p-type impurity is magnesium.

【0019】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、周知の電流拡散
層、コンタクト層、電流制限層をp形半導体領域8の上
に形成することができる。また、周知の光透過性導電膜
を介してアノード電極4を形成することができる。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。
The anode electrode 4 as the first electrode is connected to a part of the upper surface of the p-type semiconductor layer 8, that is, the central portion.
Therefore, the light emitted from the light emitting functional semiconductor region 3 can be extracted from above. A well-known current diffusion layer, contact layer, and current limiting layer can be formed on the p-type semiconductor region 8. Further, the anode electrode 4 can be formed through a known light-transmitting conductive film. Second
The cathode electrode 5 as an electrode of is connected to the lower surface of the substrate 1.

【0020】図1の発光ダイオー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法(有機金属化学気相成長法)によって
ドナーとしてシリコンとシリコン基板1に対してドナ−
不純物として機能するリンを含むバッファ層2を形成す
る。即ち、MOCVD装置の反応室にシリコン基板1を
配置し、基板1を約1120℃、10分間加熱してサ−
マルクリ−ニングする。その後基板1の温度を850℃
まで下げ、TMA(トリメチルアルミニウム)ガスを6
3μmol/min、TMIn(トリメチルインジウ
ム)ガスを20μmol/min、TMG(トリメチル
ガリウム)ガスを6.2μmol/min、アンモニア
を0.23mol/min、ホスフィン(PH3)を0.
1mol/min、シラン(SiH4 )を21nmol
/minの割合で約15分間流して、n形不純物として
シリコンを含むAl0.7Ga0.2In0.10.20.8から
成るバッファ層2を基板1上に約300オングストロ−
ムの厚さにエピタキシャル成長させる。
When manufacturing the light emitting diode of FIG.
First, the n-type Si substrate 1 is prepared. Then, as a donor on the substrate 1 by a well-known MOCVD method (metal organic chemical vapor deposition method), a donor for the silicon and the silicon substrate 1 is formed.
A buffer layer 2 containing phosphorus that functions as an impurity is formed. That is, the silicon substrate 1 is placed in the reaction chamber of the MOCVD apparatus, and the substrate 1 is heated at about 1120 ° C. for 10 minutes to perform the heating.
Mark clean. After that, the temperature of the substrate 1 is set to 850 ° C.
And TMA (trimethylaluminum) gas to 6
3 μmol / min, TMIn (trimethylindium) gas 20 μmol / min, TMG (trimethylgallium) gas 6.2 μmol / min, ammonia 0.23 mol / min, phosphine (PH 3 ) 0.2.
1 mol / min, 21 nmol of silane (SiH 4 ).
The buffer layer 2 made of Al 0.7 Ga 0.2 In 0.1 N 0.2 P 0.8 containing silicon as an n-type impurity is flown at a rate of about 300 angstroms for about 15 minutes on the substrate 1.
Epitaxially grow to the thickness of the film.

【0021】次に、基板1を再び1120℃まで昇温
し、続いて、周知のMOCVD法によってn形GaNか
ら成るn形半導体層6、InGaNから成る活性層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。
Next, the substrate 1 is again heated to 1120 ° C., and then the n-type semiconductor layer 6 made of n-type GaN and the active layer 7 made of InGaN are formed by the well-known MOCVD method.
And the p-type semiconductor layer 8 made of p-type GaN are successively and sequentially laminated.

【0022】しかる後、アノード電極4及びカソード電
極5を形成して発光ダイオードを完成させる。
Thereafter, the anode electrode 4 and the cathode electrode 5 are formed to complete the light emitting diode.

【0023】本実施形態は次の効果を有する。 (1) バッファ層2がシリコンに対してドナ−不純物
として機能するリンを含む。従って、バッファ層2及び
発光機能半導体層3の形成時の長時間の加熱によってシ
リコンに対してアクセプタ不純物として機能するAlが
バッファ層2からシリコン基板1に拡散すると共にリン
も拡散し、ドナー作用とアクセプタ作用の相殺が生じ、
シリコン基板1の表面における反転層の形成が防止され
る。このため、不要なpn接合の形成が防止され、シリ
コン基板1の抵抗値を小さく保つことができ、発光ダイ
オードの消費電力及び動作電圧の低減を高水準に達成で
きる。 (2) 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。この結果、
サファイア基板を使用する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。 (3) シリコン基板1の上に、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。 (4) Nの一部をPやAs、Sb等で置換したバッフ
ァ層2は5族化合物がNのみの化合物(例えばAlN)
に比べて小さいバンドギャプを有する。この結果、シリ
コン基板1とバッファ層2とのバンドの不連続性が改善
される。
This embodiment has the following effects. (1) The buffer layer 2 contains phosphorus that functions as a donor impurity for silicon. Therefore, Al, which functions as an acceptor impurity for silicon, diffuses from the buffer layer 2 to the silicon substrate 1 as well as phosphorus by heating for a long time during formation of the buffer layer 2 and the light-emitting functional semiconductor layer 3, and also acts as a donor. Cancellation of the acceptor action occurs,
Formation of an inversion layer on the surface of the silicon substrate 1 is prevented. Therefore, unnecessary formation of the pn junction can be prevented, the resistance value of the silicon substrate 1 can be kept small, and the power consumption and operating voltage of the light emitting diode can be reduced to a high level. (2) Since the silicon substrate 1 is used, productivity,
Excellent workability and reduced material cost. As a result,
It is possible to realize a gallium nitride-based compound semiconductor light-emitting device that is less expensive than the conventional one using a sapphire substrate. (3) Since the gallium nitride-based compound semiconductor region 3 is formed on the silicon substrate 1 with the buffer layer 2 interposed therebetween, the crystallinity of the silicon substrate 1 which is well inherited in the plane orientation of the silicon substrate 1 is obtained. A good gallium nitride-based compound semiconductor region 3 can be formed. Therefore, it is possible to obtain a gallium nitride-based compound semiconductor light emitting device having good light emitting characteristics. (4) The buffer layer 2 in which a part of N is substituted with P, As, Sb, etc. is a compound in which the group 5 compound is only N (eg AlN).
Has a smaller band gap compared to. As a result, band discontinuity between the silicon substrate 1 and the buffer layer 2 is improved.

【0024】[0024]

【第2の実施形態】第1の実施形態のAl0.7Ga0.2
0.10.20.8から成るバッファ層2の代りに、Si
ド−プのAlN0.20.8のバッファ層を形成し、この他
は、第1の実施形態と同一の方法で発光素子を作った。
この実施形態のAlN0.20.8は上記化学式のx=1、
y=0、a=0.2に相当する化合物半導体である。こ
のようにバッファ層を形成しても第1の実施形態と同様
な効果を得ることができる。
[Second Embodiment] Al 0.7 Ga 0.2 I of the first embodiment
Instead of the buffer layer 2 made of n 0.1 N 0.2 P 0.8 , Si
A doped AlN 0.2 P 0.8 buffer layer was formed, and other than that, a light emitting device was manufactured by the same method as in the first embodiment.
AlN 0.2 P 0.8 of this embodiment is x = 1 in the above chemical formula,
It is a compound semiconductor corresponding to y = 0 and a = 0.2. Even if the buffer layer is formed in this way, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.

【0025】[0025]

【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) 実施形態では、バッファ層2を構成するリン
(P)がシリコン基板1に対してドナー不純物として機
能している。しかし、バッファ層2の化合物半導体を構
成しないがシリコンに対してドナー不純物としての機能
を有する元素をバッファ層に含めることができる。 (2) 発光機能半導体領域3を形成する時にシリコン
に対するドナー不純物(例えばリン)を導入し、半導体
領域3側からバッファ層2を介してシリコン基板1にド
ナー不純物を拡散させることができる。即ち、n形半導
体層6と活性層7とp形半導体層8とのいずれか1つ又
はいずれか2つ又は全部の形成時にシリコンに対するド
ナー不純物を導入し、これをシリコン基板1に拡散する
ことができる。この場合、n形半導体層6又は活性層7
又はp形半導体層8が例えばリン(P)を含む化合物半
導体(例えばInGaPN)のようにシリコン基板1の
ドナー不純物となり得る構成元素を含む場合には、この
構成元素をシリコンのドナー不純物としてエピタキシャ
ル成長工程においてシリコン基板1に拡散させることが
できる。 (3) 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。 (4) 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。 (5) 半導体領域3の各層6、7、8をGaN、Al
NGaN、InGaN、AlInN、InGaN、Al
InGaN、AlN等の窒化物系化合物半導体とするこ
とができる。 (6) 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。 (7) バッファ層2を示す化学式AlxGayIn
1-x-ya1-aのPをAs又はSbに置き変えることが
できる。
[Modification] The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the following modifications are possible. (1) In the embodiment, phosphorus (P) forming the buffer layer 2 functions as a donor impurity with respect to the silicon substrate 1. However, an element that does not form the compound semiconductor of the buffer layer 2 but has a function as a donor impurity for silicon can be included in the buffer layer. (2) When forming the light emitting functional semiconductor region 3, a donor impurity (for example, phosphorus) for silicon can be introduced to diffuse the donor impurity from the semiconductor region 3 side to the silicon substrate 1 through the buffer layer 2. That is, when any one or any two or all of the n-type semiconductor layer 6, the active layer 7, and the p-type semiconductor layer 8 are formed, a donor impurity for silicon is introduced and diffused into the silicon substrate 1. You can In this case, the n-type semiconductor layer 6 or the active layer 7
Alternatively, when the p-type semiconductor layer 8 contains a constituent element that can be a donor impurity of the silicon substrate 1 such as a compound semiconductor containing phosphorus (P) (for example, InGaPN), an epitaxial growth step using this constituent element as a donor impurity of silicon In, it can be diffused into the silicon substrate 1. (3) Substrate 1, buffer layer 2, light emitting functional semiconductor region 3
The conductivity type of can be reversed from the embodiment of FIG. (4) The number of gallium nitride based semiconductor layers included in the light emitting functional semiconductor region 3 can be increased or decreased. (5) The layers 6, 7, and 8 of the semiconductor region 3 are formed of GaN and Al.
NGaN, InGaN, AlInN, InGaN, Al
A nitride-based compound semiconductor such as InGaN or AlN can be used. (6) The substrate 1 is preferably single crystal silicon, but may be conductive polycrystalline silicon or a silicon compound. (7) Chemical formula showing a buffer layer 2 Al x Ga y In
The P of 1-xy N a P 1-a can be replaced with As or Sb.

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

【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。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a light emitting diode according to an embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板 2 AlGaInNP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 1 Silicon substrate 2 AlGaInNP buffer layer 3 Light emitting semiconductor region 4 Anode electrode 5 Cathode electrode

フロントページの続き (72)発明者 柳原 将貴 埼玉県新座市北野三丁目6番3号 サンケ ン電気株式会社内 (72)発明者 佐藤 純治 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 田中 良孝 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 Fターム(参考) 5F041 AA24 CA03 CA22 CA40 CA49 CA57 CA65 5F073 AA55 CA01 CB04 CB14 DA05 EA23 Continued front page    (72) Inventor Masaki Yanagihara             Sanke, 3-6 Kitano, Niiza City, Saitama Prefecture             N Denki Co., Ltd. (72) Inventor Junji Sato             Sanke, 3-6 Kitano, Niiza City, Saitama Prefecture             N Denki Co., Ltd. (72) Inventor Yoshitaka Tanaka             Sanke, 3-6 Kitano, Niiza City, Saitama Prefecture             N Denki Co., Ltd. F-term (reference) 5F041 AA24 CA03 CA22 CA40 CA49                       CA57 CA65                 5F073 AA55 CA01 CB04 CB14 DA05                       EA23

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 導電形決定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所定
導電形の半導体基板と、 前記基板の一方の主面に隣接配置され且つ窒化物系化合
物半導体から成り且つシリコン半導体に対して前記基板
の前記所定導電形と同一の導電形の不純物として機能す
る元素を含んでいるバッファ層と、 発光機能を得るために前記バッファ層に隣接配置され且
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側に配置された第1の電極と、 前記基板の他方の主面側に配置された第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 substrate of a predetermined conductivity type, which is made of silicon or a silicon compound containing a conductivity determining impurity and has a low resistivity, and a nitride compound which is disposed adjacent to one main surface of the substrate. A buffer layer made of a semiconductor and containing an element that functions as an impurity of the same conductivity type as that of the substrate with respect to the silicon semiconductor, and a plurality of buffer layers arranged adjacent to the buffer layer to obtain a light emitting function. A semiconductor region having a nitride-based compound semiconductor layer, a first electrode arranged on the front surface side of the semiconductor region, and a second electrode arranged on the other main surface side of the substrate. A semiconductor light emitting device characterized by being provided.
【請求項2】 導電形決定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所定
導電形の半導体基板を用意する工程と、 前記基板の一方の主面上に窒化物系化合物半導体から成
り且つシリコン半導体に対して前記基板の前記所定導電
形と同一の導電形の不純物として機能する元素を含んで
いるバッファ層を気相成長法によって形成する工程と、 前記バッファ層の上に発光機能を得るための複数の窒化
物系化合物半導体層を含む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側に第1の電極を形成し、前記基
板の他方の主面側に第2の電極を形成する工程とを備え
ていることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
2. A step of preparing a semiconductor substrate of a predetermined conductivity type, which is made of silicon or a silicon compound containing a conductivity determining impurity and has a low resistivity, and a nitride-based material on one main surface of the substrate. Forming a buffer layer, which is made of a compound semiconductor and contains an element that functions as an impurity of the same conductivity type as the predetermined conductivity type of the substrate with respect to the silicon semiconductor, by a vapor phase growth method; A step of forming a semiconductor region including a plurality of nitride-based compound semiconductor layers for obtaining a light emitting function by a vapor phase epitaxy method, and forming a first electrode on the front surface side of the semiconductor region, And a step of forming a second electrode on the main surface side.
【請求項3】 導電形決定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所定
導電形の半導体基板を用意する工程と、 前記基板の一方の主面上に窒化物系化合物半導体から成
るバッファ層を気相成長法で形成する工程と、 前記バッファ層の上に発光機能を得るための複数の窒化
物系化合物半導体層を含む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側に第1の電極を形成し、前記基
板の他方の主面側に第2の電極を形成する工程とを備え
た半導体発光素子の製造方法において、 前記発光機能を得るための複数の窒化物系化合物半導体
層の少なくとも1つを形成する時の雰囲気にシリコン半
導体に対して前記基板の前記所定導電形と同一の導電形
の不純物として機能する元素を含めることを特徴とする
半導体発光素子の製造方法。
3. A step of preparing a semiconductor substrate of a predetermined conductivity type, which is made of silicon or a silicon compound containing a conductivity determining impurity and has a low resistivity, and a nitride-based material on one main surface of the substrate. A step of forming a buffer layer made of a compound semiconductor by a vapor phase epitaxy method, and a step of forming a semiconductor region including a plurality of nitride compound semiconductor layers for obtaining a light emitting function on the buffer layer by a vapor phase epitaxy method And a step of forming a first electrode on the front surface side of the semiconductor region and forming a second electrode on the other main surface side of the substrate, the method comprising: In order to obtain at least one of the plurality of nitride-based compound semiconductor layers, the atmosphere for forming at least one of the plurality of nitride-based compound semiconductor layers should include an element that functions as an impurity of the same conductivity type as the predetermined conductivity type of the substrate with respect to the silicon semiconductor. The method of manufacturing a semiconductor light emitting element characterized.
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