JP2003229601A - リン化硼素系半導体素子、その製造方法、および発光ダイオード - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】リン化硼素系半導体結晶層上に、一般式Ａｌ_Q
Ｇａ_RＩｎ_YＮ（但し、０≦Ｑ＜１、０≦Ｒ＜１、０＜Ｙ
≦１、Ｑ＋Ｒ＋Ｙ＝１）で表わされるインジウム（Ｉ
ｎ）を含有するＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる活性
層を設けるにあたり、インジウム組成が均一な活性層を
得るための技術手段を提示する。 【解決手段】活性層をなすＩＩＩ族窒化物半導体結晶層
のインジウム組成の１／２以下のインジウム組成を有す
るＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる中間層をリン化硼
素系半導体結晶層と活性層との間に設ける。結晶型の相
違する結晶体を含む多結晶層から中間層を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、リン化硼素系半導
体結晶層上に活性層を備えてなるリン化硼素系半導体素
子を構成するための技術に係わり、特に、素子特性の向
上をもたらす組成の均一性に優れた活性層を構成するた
めの技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、一種のＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体としてリン化硼素（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）培風館発行初版、２８頁参照）。リン化硼素
は、間接遷移型の半導体であるため、リン化硼素を基材
として構成されるリン化硼素系半導体を具備する素子
（リン化硼素系半導体素子）では、活性層以外の機能層
を構成するにもっぱら利用されている。リン化硼素系半
導体素子、例えば発光素子にあって、リン化硼素半導体
からなる結晶層は、活性層（発光層）ではなく、緩衝層
（米国特許６，０６９，０２１号参照）或いはオーミッ
ク（Ｏｈｍｉｃ）性電極を形成するためのコンタクト
（ｃｏｎｔａｃｔ）層（特開平２−２８８３８８号公報
参照）として利用されている。また、従来では、これら
のリン化硼素系半導体発光素子を珪素（Ｓｉ）単結晶
（シリコン）を基板として構成する例が開示されている
（上記の米国特許６，０６９，０２１号参照）。

【０００３】従来の化合物半導体発光素子にあって、活
性層（発光層）は直接遷移型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体結晶層から構成されるのがもっぱらである。例えば、
近紫外、青色或いは緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）或い
はレーザダイオード（ＬＤ）の活性層は、窒化ガリウム
・インジウム（Ｇａ_1-YＩｎ_YＮ：０≦Ｙ≦１）混晶から
構成されている（特開昭５５−３８３４号公報参照）。
リン化硼素系半導体発光素子にあっても、発光層をＧａ
_1-YＩｎ_YＮ（０＜Ｙ≦１）とする例が公知となっている
（上記の米国特許６，０６９，０２１号参照）。従来の
リン化硼素系半導体発光素子にあって、Ｇａ_1-YＩｎ_YＮ
（０＜Ｙ≦１）からなる発光層は例えば、リン化硼素・
インジウム（Ｂ_1-XＩｎ_XＰ：０≦Ｘ＜１）混晶からなる
結晶層上に設けられている。

【０００４】立方晶の閃亜鉛鉱型（ｚｉｎｃ ｂｌｅｎ
ｄｅ）のリン化硼素系半導体にあって、例えば、単量体
のリン化硼素（ｂｏｒｏｎ ｍｏｎｏｐｈｏｓｐｈｉｄ
ｅ：ＢＰ）の格子定数は４．５３８Åであり（上記の
「半導体デバイス概論」、２８頁参照）、格子定数を
４．５０９Åとする立方晶の窒化ガリウム（ＧａＮ）と
の格子整合性に優れている（「日本結晶成長学会誌」、
Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．３（１９９８）、Ａ２８頁参
照）。このため、リン化硼素（ＢＰ）は、窒化ガリウム
（ＧａＮ）等のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を形成する
際の下地層として好適となる可能性が指摘されている
（「日本結晶成長学会誌」、Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．２
（１９９９）、２９頁参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来か
ら短波長の発光をもたらすに好適とされる例えば、Ｇａ
_{1- Y}Ｉｎ_YＮ（０＜Ｙ≦１）からなる活性層をリン化硼素
（ＢＰ）層上に設けようとしても、層厚の増加方向にイ
ンジウム組成（＝Ｙ）を均一とするＧａ_1-YＩｎ_YＮ（０
＜Ｙ≦１）結晶層が得られ難いことが問題となってい
る。インジウム組成を層厚方向で不均一とする活性層か
らは高い電子移動度或いは単色性に優れる発光を得るこ
とはできないため、特性に優れるリン化硼素系半導体素
子を得るに支障を来しているのが現状である。

【０００６】本発明は、上記の従来技術に於ける問題点
を解決すべくなされたもので、リン化硼素系半導体結晶
層上に、Ｇａ_1-YＩｎ_YＮ（０＜Ｙ≦１）等の一般式Ａｌ
_QＧａ_RＩｎ_YＮ（但し、０≦Ｑ＜１、０≦Ｒ＜１、０＜
Ｙ≦１、Ｑ＋Ｒ＋Ｙ＝１）で表わされるインジウム（Ｉ
ｎ）を含有するＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる活性
層を設けるにあたり、インジウム組成が均一な活性層を
得るための技術手段を提示するものである。また、この
技術手段を利用して電気的或いは光学的な特性に優れる
リン化硼素系半導体素子を提供するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明は （１）珪素（Ｓｉ）単結晶からなる基板と、該基板上に
設けられたリン化硼素系半導体結晶層と、該リン化硼素
系半導体結晶層上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導
体結晶からなる中間層と、該中間層上に設けられたイン
ジウム組成をＹ（０＜Ｙ≦１）とする一般式Ａｌ_QＧａ_R
Ｉｎ_YＮ（但し、０≦Ｑ＜１、０≦Ｒ＜１、Ｑ＋Ｒ＋Ｙ
＝１）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる
活性層とを備えたリン化硼素系半導体素子に於いて、前
記中間層がインジウムを含有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半
導体結晶からなり、該中間層のインジウム組成が前記活
性層をなすＩＩＩ族窒化物半導体結晶のインジウム組成
（Ｙ）の１／２以下であることを特徴とするリン化硼素
系半導体素子。 （２）前記中間層が、閃亜鉛鉱型（ｚｉｎｃ ｂｌｅｎ
ｄｅ）の結晶体を含むウルツ鉱型（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）
のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなる多結晶層から
構成されることを特徴とする上記（１）に記載のリン化
硼素系半導体素子。 （３）前記中間層が、ウルツ鉱型の結晶体を含む閃亜鉛
鉱型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなる多結晶層
から構成されることを特徴とする上記（１）に記載のリ
ン化硼素系半導体素子。 （４）前記リン化硼素系半導体結晶層がリン化窒化硼素
・インジウム（Ｂ_AＩｎ_DＮ_{1- δ}Ｐ_δ：０＜Ａ≦１、０≦
Ｄ＜１、Ａ＋Ｄ＝１、０＜δ≦１）混晶から構成され、
前記中間層が窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム
（Ａｌ_γＧａ_βＩｎ_αＮ：０＜α≦０．５、０≦β＜
１、０≦γ＜１、、α＋β＋γ＝１）混晶から構成さ
れ、前記活性層が窒化アルミニウム・ガリウム・インジ
ウム（Ａｌ_QＧａ_RＩｎ_YＮ：０＜Ｙ≦１、０≦Ｑ＜１、
０≦Ｒ＜１、Ｑ＋Ｒ＋Ｙ＝１）混晶から構成され、α≦
０．５×Ｙであることを特徴とする上記（１）乃至
（３）に記載のリン化硼素系半導体素子。 （５）前記リン化硼素系半導体結晶層がリン化硼素・イ
ンジウム（Ｂ_AＩｎ_DＰ：０＜Ａ≦１、０≦Ｄ＜１、Ａ＋
Ｄ＝１）混晶から構成され、前記中間層が窒化ガリウム
・インジウム（Ｇａ_βＩｎ_αＮ：０＜α≦０．５、０≦
β＜１、α＋β＝１）混晶から構成され、活性層が窒化
ガリウム・インジウム（Ｇａ_RＩｎ_YＮ：０＜Ｙ≦１、０
≦Ｒ＜１、Ｒ＋Ｙ＝１）混晶から構成され、α≦０．５
×Ｙであることを特徴とする上記（４）に記載のリン化
硼素系半導体素子。 （６）前記中間層を有機金属化学的気相堆積法（ＭＯＣ
ＶＤ法）で成膜する上記（１）ないし（５）に記載のリ
ン化硼素系半導体素子の製造方法。 （７）前記中間層の成長温度を７００℃〜９５０℃とす
る上記（６）に記載のリン化硼素系半導体素子の製造方
法。 （８）上記（１）ないし（５）に記載のリン化硼素系半
導体素子からなる発光ダイオード。 である。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施形態に於い
て、珪素単結晶基板上に設けるリン化硼素系半導体結晶
層は、硼素（Ｂ）とリン（Ｐ）とを構成元素として含
む、例えば、Ｂ_AＡｌ_BＧａ_CＩｎ_DＰ_{1- δ}Ａｓ_δ（０＜Ａ
≦１、０≦Ｂ＜１、０≦Ｃ＜１、０≦Ｄ＜１、Ａ＋Ｂ＋
Ｃ＋Ｄ＝１、０≦δ＜１）結晶からなる層である。ま
た、例えば、Ｂ_AＡｌ_BＧａ_CＩｎ_DＰ_{1- δ}Ｎ_δ（０＜Ａ≦
１、０≦Ｂ＜１、０≦Ｃ＜１、０≦Ｄ＜１、Ａ＋Ｂ＋Ｃ
＋Ｄ＝１、０≦δ＜１）結晶からなる層である。リン化
硼素系半導体発光素子にあって、活性層（発光層）より
も禁止帯幅の広い半導体結晶から構成されたリン化硼素
系半導体結晶層は活性層に対する障壁層として利用でき
る。また、例えば、酸素（Ｏ）等を添加した高抵抗のリ
ン化硼素系半導体結晶層は、例えば、電界効果型トラン
ジスタ（ＦＥＴ）にあって、活性層からの動作電流の漏
洩を抑制し、相互コンダクタンス（ｇ_m）に優れる緩衝
層として利用できる。

【０００９】基板には、｛１００｝面、｛１１０｝面、
或いは｛１１１｝面を有する珪素単結晶（シリコン）を
利用できる。特定の結晶方向に傾斜した結晶面を表面と
する珪素単結晶も、基板として利用できる。例えば、＜
１１０＞結晶方向に角度にして約７度（°）傾斜した
｛１１１｝結晶面を表面とする珪素単結晶を基板として
利用できる。リン化硼素系半導体発光素子にあって、ｎ
形またはｐ形伝導性の珪素単結晶を基板とすれば、基板
の裏面に正負、何れかの極性のオーミック（Ｏｈｍｉ
ｃ）性電極を敷設できるため、簡便に発光素子を構成す
るに寄与できる。特に、抵抗率を１ミリオーム（ｍΩ）
以下、より望ましくは０．１ｍΩ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をもたらすに貢献する。また、
放熱性に優れるため安定した発振をもたらすＬＤを構成
するに有効となる。リン化硼素系半導体発光素子にあっ
て、基板とする珪素単結晶に接合させてリン化硼素系半
導体結晶層を設ける場合、基板の珪素単結晶とリン化硼
素系半導体結晶層の伝導形を同一とするのが望ましい。

【００１０】リン化硼素系半導体結晶層は、上記の珪素
単結晶基板上に緩衝層を介して設けることができる。特
に、非晶質または多結晶のリン化硼素系半導体層から構
成された緩衝層は、基板をなす珪素単結晶との格子不整
合性を緩和して、ミスフィット転位等の結晶欠陥密度の
小さいリン化硼素系半導体結晶層をもたらすに効果を発
揮する。また、リン化硼素系半導体層からなる緩衝層を
構成する硼素とリンは、成長を促進する「成長核」とし
ての作用を発揮し、その上に連続性のあるリン化硼素系
半導体結晶層をもたらすに効果を奏する。例えば、ＭＯ
ＣＶＤ法により２５０℃〜７５０℃の温度で形成した非
晶質または多結晶のリン化硼素（ＢＰ）から緩衝層を構
成する例を挙げられる（米国特許６，０６９，０２１号
参照）。緩衝層１０２の層厚は約１ｎｍ以上で５０ｎｍ
以下、更には２ｎｍ以上で１５ｎｍ以下とするのが好ま
しい。

【００１１】リン化硼素系半導体結晶層上には、インジ
ウムを含有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなる
中間層を設ける。本第１の実施形態に於ける特徴は、中
間層を特定のインジウム組成（＝α）を有するＩＩＩ−
Ｖ族化物半導体結晶層から構成していることにある。中
間層は例えば、窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_{1- α}Ｉ
ｎ_αＮ）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶から構成す
るが、そのインジウム組成（＝α）は、０＜α≦０．５
×Ｙとする。ここでＹは、中間層の上に形成される、一
般式Ａｌ_QＧａ_RＩｎ_YＮ（但し、０≦Ｑ＜１、０≦Ｒ＜
１、Ｑ＋Ｒ＋Ｙ＝１）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導
体結晶からなる活性層のインジウム組成（但し０＜Ｙ≦
１）である。活性層をなすＩＩＩ族窒化物半導体結晶層
のインジウム組成（＝Ｙ）とは、例えば、層内で均一な
インジウム組成を有する活性層にあっては、その組成そ
のものである。また、層厚の増加方向にインジウム組成
に勾配を有する活性層にあっては、中間層と接する側の
表面に於けるインジウム組成である。また、インジウム
組成を相違する結晶相の集合体からなる多相構造の活性
層にあっては、各結晶相のインジウム組成の平均値であ
る。

【００１２】本発明の中間層は、特に深さ方向（成長方
向）にインジウム組成（＝Ｙ）を均一とする活性層をも
たらすために設けられるものである。中間層をなすＩＩ
Ｉ−Ｖ族化合物半導体結晶層のインジウム組成（＝α）
が活性層をなすＩＩＩ族窒化物半導体結晶のインジウム
組成（＝Ｙ）の半値を越える高値であると、深さ方向に
均一な所望のインジウム組成（＝Ｙ）を有する活性層を
安定して得ることができない。特に、図１に例示する如
く、中間層から活性層側へのインジウム（Ｉｎ）原子の
拡散に起因して、活性層の層厚の増加方向に漸次、イン
ジウム組成（＝Ｙ）が減少した組成的に不均一な活性層
が帰結される。逆に、中間層をインジウム（Ｉｎ）を含
まないＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶層から構成する
と、所望のインジウム組成（＝Ｙ）に満たない活性層が
帰結され易くなる。特に、図２に例示する様に、活性層
の深部の中間層側の領域に於いてインジウム組成が低下
した組成的に不均一な活性層が帰結される。この様なイ
ンジウム組成（＝Ｙ）の不均一なＩＩＩ族窒化物半導体
結晶からなる活性層を発光層として利用しても、インジ
ウム組成（＝Ｙ）の変化に対応した種々の発光が生じ、
単色性に優れる発光をもたらすリン化硼素系半導体発光
素子を得るに至らない。

【００１３】また、インジウム組成（＝α）を、活性層
のインジウム組成（＝Ｙ）の半値（＝１／２）を越える
ものとする中間層上には、表面の平坦性に優れる活性層
を安定して形成できない。αが０．５×Ｙを越えると、
活性層の表面に凹凸が急激に顕著となる。粗雑に荒れた
表面の活性層では、平滑な接合界面を構成できない。従
って、例えば、この様な粗雑な表面を有する活性層を電
子走行層（チャネル層）とするヘテロ（異種）接合構造
して利用して高移動度ＦＥＴを構成することを意図して
も、ヘテロ接合界面の近傍のチャネル（ｃｈａｎｎｅ
ｌ）層の内部に効率的に２次元電子を局在させることが
できず、相互コンダクタンス（ｇ_m）に優れる２次元電
子ガスＦＥＴ（ＴＥＧＦＥＴ）は得られず不都合とな
る。ＴＥＧＦＥＴに利用する中間層は、電子走行層と同
一の伝導形或いは高抵抗のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結
晶層から構成するのが望ましい。また、ＦＥＴに好適に
利用できる中間層の層厚は活性層の１／２以下である。
例えば、層厚を１５ｎｍとする活性層について、中間層
として好適な層厚は７．５ｎｍ下である。更に、好まし
くは約５ｎｍ以下である。層厚が約１ｎｍ未満の極薄膜
の中間層では、下地のリン化硼素系半導体結晶層の表面
全体を均一に被覆するに至らず、従って、深さ方向或い
は平面的に均一なインジウム組成を有する活性層を得る
に支障となる。

【００１４】活性層の層厚に比較して過大である層厚の
中間層は、リン化硼素系半導体素子の特性の向上に支障
を来す要因となる場合がある。中間層を構成するための
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の多くは直接遷移型の半導体
である（上記の「半導体デバイス概論」、２８頁参
照）。従って、例えば、リン化硼素系半導体発光素子に
あって、中間層に流入する素子動作電流によって、活性
層に加え中間層からの発光が副次的に発生してしまう場
合がある。本第１の実施形態では、中間層を活性層と同
一の材料から構成する場合にあっても、インジウム組成
（＝α）は活性層のそれ（＝Ｙ）とは相違させているの
で、中間層からの副次的な発光の波長は、本来所望する
活性層からの発光波長とは異なるものとなる。通常、中
間層の層厚を大とする程、中間層からの副次的な発光の
強度は増大するため、発光の単色性に優れるリン化硼素
系半導体発光素子を得るに支障となる。中間層の層厚
を、活性層の層厚の１／２以下とすると副次的な発光の
強度は、急激に低下させられる。発光素子を構成するに
利用する中間層の伝導形は、活性層またはリン化硼素系
半導体結晶層の何れかと一致させる。

【００１５】中間層上に設ける本発明の活性層は、イン
ジウム組成をＹ（０＜Ｙ≦１）とする一般式Ａｌ_QＧａ_R
Ｉｎ_YＮ（但し、０≦Ｑ＜１、０≦Ｒ＜１、Ｑ＋Ｒ＋Ｙ
＝１）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体結晶から構成
する。本発明に係わるリン化硼素系半導体素子の活性層
は、量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：ＱＷ）構造
からも構成できる。例えば、リン化硼素系半導体層上に
設ける活性層を、Ｇａ_{1 ー Y}Ｉｎ_YＮ（０＜Ｙ≦１）等から
なる結晶層を井戸（ｗｅｌｌ）層として備えた単一（Ｓ
ｉｎｇｌｅ ＱＷ：ＳＱＷ）或いは多重（Ｍｕｌｔｉ
ＱＷ：ＭＱＷ）構造から構成することもできる。バリア
（ｂａｒｒｉｅｒ）層は窒化アルミニウム・ガリウム
（Ａｌ_1-XＧａ_XＮ：０≦Ｘ≦１）やＧａＮ_{1- δ}Ｐ_δ（０
≦δ≦１）等から構成できる。本発明の云う活性層と
は、量子井戸構造にあっては、発光をもたらす或いは電
子が走行する井戸層である。従って、リン化硼素系半導
体結晶層上に量子構造体を設けるに際しても、本発明の
中間層を例えば、バリア層上に設けた後、井戸層を形成
することとすれば、深さ方向或いは平面的にインジウム
組成（＝Ｙ）を均一とする井戸層（活性層）がもたらさ
れる利点がある。

【００１６】本発明の第２の実施形態では、中間層を特
殊な結晶構造を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶か
らなる多結晶層から構成する。すなわち、閃亜鉛鉱型
（ｚｉｎｃ ｂｌｅｎｄｅ）の結晶体を含むウルツ鉱型
（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶
からなる多結晶層から構成する。単一の結晶型の結晶か
ら画一的に構成されているのではなく、この様な異なる
結晶型の結晶が混在している結晶層を本発明では多結晶
層と称する。例えば、単量体のリン化硼素（ＢＰ）から
なるリン化硼素系半導体結晶層上に設ける中間層を、閃
亜鉛鉱型の結晶体を含むウルツ鉱型の窒化ガリウム・イ
ンジウム（Ｇａ_{1- α}Ｉｎ_αＮ：０＜α≦０．５×Ｙ）の
多結晶層から構成する。リン化硼素系半導体結晶は一般
に閃亜鉛鉱型の結晶構造を有するため、ウルツ鉱型の結
晶層から中間層を構成する場合、この様な閃亜鉛鉱型の
結晶体を含む中間層からは、リン化硼素系半導体結晶層
と中間層との間の熱膨張率或いは格子定数の差異等に起
因して発生する格子歪を緩和する作用が得られる。ま
た、中間層は、活性層の成膜時に於ける、下地のリン化
硼素系半導体結晶層より活性層側に拡散して来るリン
（Ｐ）を吸収して、活性層内のリン（Ｐ）の原子濃度を
抑制するに効果を奏する。

【００１７】本発明の第３の実施形態では、また中間層
を上記とは異なる結晶構造を有するＩＩＩ−Ｖ族化合物
半導体結晶層から構成する。すなわち、ウルツ鉱型の結
晶体を含む閃亜鉛鉱型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶
からなる多結晶層から構成する。例えば、ウルツ鉱型の
窒化ガリウム・インジウムからなる結晶体を含む閃亜鉛
鉱型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の多結晶層から構成す
る。ＩＩＩ族窒化物半導体結晶は一般にウルツ鉱型であ
るため、ウルツ鉱型の結晶体を含む閃亜鉛鉱型のＩＩＩ
−Ｖ族化合物半導体結晶からなる多結晶層から構成され
る中間層は、中間層とＩＩＩ族窒化物半導体結晶からな
る活性層との間の熱膨張率或いは格子定数の差異等に起
因して発生する格子歪を緩和して、結晶性に優れる活性
層をもたらす作用を有する。また、中間層は、活性層の
成膜時に於ける、下地のリン化硼素系半導体結晶層より
活性層側に拡散して来るリン（Ｐ）を吸収して、活性層
内のリン（Ｐ）の原子濃度を抑制するに効果を奏する。

【００１８】本発明の第４の実施形態では、リン化硼素
系半導体結晶層をリン化窒化硼素・インジウム（Ｂ_AＩ
ｎ_DＮ_{1- δ}Ｐ_δ：０＜Ａ≦１、０≦Ｄ＜１、Ａ＋Ｄ＝
１、０＜δ≦１）混晶から構成し、リン化硼素系半導体
結晶層上に設ける中間層を窒化アルミニウム・ガリウム
・インジウム（Ａｌ_γＧａ_βＩｎ_αＮ：０＜α≦０．
５、０≦β＜１、０≦γ＜１、α＋β＋γ＝１）混晶か
ら構成し、且つ活性層を窒化アルミニウム・ガリウム・
インジウム（Ａｌ_QＧａ_RＩｎ_YＮ：０＜Ｙ≦１、０≦Ｑ
＜１、０≦Ｒ＜１、Ｑ＋Ｒ＋Ｙ＝１）混晶から構成す
る。ここでα≦０．５×Ｙとする。リン化窒化硼素・イ
ンジウム混晶からは、基板とする珪素単結晶に格子整合
するリン化硼素系半導体結晶層を構成できる利点がある
（特開２０００−２２２１１号公報参照）。また、窒化
アルミニウム・ガリウム・インジウム混晶は、一種のワ
イドバンドギャップ（ｗｉｄｅ ｂａｎｄｇａｐ）材料
であるため、例えば、近紫外帯光或いは短波長可視帯光
を出射するに好都合な活性層を構成できる。また、規定
されたインジウム組成（α、但し０＜α≦０．５でα≦
０．５×Ｙ）を有し、且つ活性層の構成元素を含んでな
る窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（Ａｌ_γＧ
ａ_βＩｎ_αＮ：０＜α≦０．５、０≦β＜１、０≦γ＜
１、α＋β＋γ＝１）混晶から構成した中間層は、活性
層の成長に於ける「成長核」を提供して、活性層の成膜
を促進すると共に、インジウム組成（＝Ｙ）の均一な活
性層をもたらせる。

【００１９】さらに本発明の第５の実施形態では、リン
化硼素系半導体結晶層をリン化硼素・インジウム（Ｂ_A
Ｉｎ_DＰ：０＜Ａ≦１、０≦Ｄ＜１、Ａ＋Ｄ＝１）混晶
から構成し、リン化硼素系半導体結晶層上に設ける中間
層を窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_βＩｎ_αＮ：０＜
α≦０．５、０≦β＜１、α＋β＝１）混晶から構成
し、活性層を窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_RＩｎ
_YＮ：０＜Ｙ≦１、０≦Ｒ＜１、Ｒ＋Ｙ＝１）混晶から
構成する。ここでα≦０．５×Ｙとする。Ｂ_AＩｎ_DＰ混
晶は構成元素がより少なく、従って、リン化硼素系半導
体結晶層の形成を簡便とできる。特に、室温での禁止帯
幅を約３ｅＶ前後とする単量体のリン化硼素（ＢＰ）結
晶層からは、活性層（発光層）に対する障壁層（クラッ
ド層）となるリン化硼素系半導体結晶層を構成できる。
また、酸素（Ｏ）等の不純物を含む高抵抗のリン化硼素
（ＢＰ）結晶層からは、例えば、ＦＥＴ用途の緩衝層を
構成できる。また、中間層をインジウム組成は異にする
ものの、活性層と同様の材料から構成すれば、相互の格
子ミスマッチ度を小と出来るため、ミスフィット（ｍｉ
ｓｆｉｔ）転位等の結晶欠陥密度の低い良質の活性層を
構成できる。特に、閃亜鉛鉱型の結晶体を混在したウル
ツ鉱型結晶からなる中間層は、結晶欠陥密度の少ない結
晶性に優れる活性層をもたらすに貢献できる。

【００２０】ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなる中
間層は、リン化硼素系半導体結晶層或いは活性層と同様
に、例えば、有機金属化学的気相堆積法（ＭＯＣＶＤ
法）等の成長手段により成膜できる。例えば、トリエチ
ル硼素（（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ）／シクロペンタジエニルイン
ジウム（Ｃ₅Ｈ₅Ｉｎ）／ホスフィン（ＰＨ₃）原料系Ｍ
ＯＣＶＤ法に依り成膜できる。ルイス（Ｌｅｗｉｓ）塩
基性のＰＨ₃に対し、強度のルイス酸性を呈しないＣ₅Ｈ
₅Ｉｎをインジウム原料とすれば、ＰＨ₃とのポリマー
（ｐｏｌｙｍｅｒ）化反応が抑制され、常圧（略大気
圧）下のＭＯＣＶＤ法でも良質のインジウムを含有する
中間層を形成できる（日本国特許２０９８３８８号参
照）。ＭＯＣＶＤ法に依り中間層を成膜するに際し、そ
の層厚は、珪素単結晶基板上への硼素（Ｂ）及びインジ
ウム（Ｉｎ）等のＩＩＩ族構成元素の原料の供給量及び
その供給時間により制御できる。中間層のインジウム組
成（＝α）は、ＩＩＩ族構成元素の供給量の総量に対す
るインジウム原料の供給量の濃度比率を変化させて調整
する。また、中間層のキャリア濃度は、ＩＩＩ族構成元
素の原料の供給量に対するＶ族構成元素の供給量の比率
（所謂、Ｖ／ＩＩＩ比率）を適宣、選択することに依
り、または不純物を故意に添加（ドーピング）して調整
する。ｎ形の中間層を得るに適する不純物としては、珪
素（Ｓｉ）、錫（Ｓｎ）、硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）
やテルル（Ｔｅ）等を例示できる。ｐ形のドーパント
（ｄｏｐａｎｔ）には、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム
（Ｍｇ）、炭素（Ｃ）等がある。

【００２１】ＭＯＣＶＤ法により、珪素単結晶基板上に
設けられた例えば、単量体のリン化硼素（ＢＰ）結晶か
らなるリン化硼素系半導体結晶層上に、窒化アルミニウ
ム・ガリウム・インジウム（Ａｌ_γＧａ_βＩｎ_αＮ：０
＜α≦０．５、０≦β＜１、０≦γ＜１、α＋β＋γ＝
１）混晶から構成される中間層を成膜するに際し、リン
化硼素結晶層は約７５０℃〜約１２００℃の範囲で、成
膜するのが好ましい。約１２００℃を越える高温では、
Ｂ₆Ｐ、Ｂ₁₃Ｐ₂等の多量体のリン化硼素結晶が生成さ
れ、単量体のリン化硼素からなる均質な結晶層が得られ
ず不適である。中間層はそれより低温の約７００℃〜約
９５０℃の範囲で成膜するのが適する。インジウム組成
（α）を大とする中間層程、成膜温度を低温とすると、
平坦な表面の中間層が得られる。アルミニウム（Ａｌ）
を含むＩＩＩ族窒化物半導体結晶層からなる中間層を成
膜するには、成膜温度を、上記の温度範囲内で比較的高
温とするのが適する。中間層上に積層する活性層を、イ
ンジウム組成は相違するものの、同様の結晶材料から構
成すると、活性層を中間層と略同等の温度で簡便に形成
できる利点がある。中間層或いは活性層のインジウム組
成（αまたはＹ）は、例えば、Ｘ線回折法、２次イオン
質量分析法（ＳＩＭＳ）、オージェ（Ａｕｇｅｒ）分光
分析法（ＡＥＳ）等の組成分析手段を利用して定量でき
る。

【００２２】

【作用】珪素単結晶基板とインジウムを含有するＩＩＩ
族窒化物半導体結晶層からなる活性層との中間に設けら
れた、活性層のインジウム組成を基に規定されたインジ
ウム組成を有する中間層は、活性層のインジウム組成を
均一化させる作用を有する。また、表面の平坦性に優れ
る活性層をもたらす作用を有する。

【００２３】また、活性層のインジウム組成を基に規定
されたインジウム組成を有し、且つ結晶型を相違する結
晶体を含む多結晶層からなる中間層は、結晶性に優れる
活性層をもたらす作用を有する。

【００２４】

【実施例】リン化硼素系半導体素子からなる発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）を作製した例に挙げて、本発明の内容を
具体的に説明する。本実施例に係わるＬＥＤ１Ｂの平面
模式図を図３に示す。また、図３に示す破線Ｘ−Ｘ’に
沿ったＬＥＤ１Ｂの断面模式図を図４に示す。

【００２５】ＬＥＤ１Ｂ用途の積層構造体１Ａは、（１
１１）結晶面を表面とする硼素（Ｂ）を添加したｐ形の
Ｓｉ単結晶を基板１０１として構成した。基板１０１上
には、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、３
５０℃で、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で非晶質を主体とする
リン化硼素からなる緩衝層１０２を堆積した。緩衝層１
０２の層厚は約１０ｎｍとした。緩衝層１０２の表面に
は、上記のＭＯＣＶＤ気相成長手段を利用して、１０５
０℃で成長させたｐ形の単量体リン化硼素（ＢＰ）結晶
からなるリン化硼素系半導体結晶層１０３を積層した。
ｐ形のリン化硼素系半導体結晶層１０３のキャリア濃度
は約７×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、また、層厚は約４００ｎｍ
とした。ｐ形のリン化硼素系半導体結晶層１０３をなす
単量体のＢＰ層の室温での禁止帯幅は大凡、３．０ｅＶ
であった。

【００２６】ｐ形のリン化硼素系半導体結晶層１０３上
には、トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）／シクロ
ペンタジエニルインジウム（Ｃ₅Ｈ₅Ｉｎ）／アンモニア
（ＮＨ₃）／Ｈ₂系常圧ＭＯＣＶＤ法により、インジウム
組成を０．０６（＝６％）とするウルツ鉱結晶型のｎ形
窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_0.94Ｉｎ_0.06Ｎ）から
なる中間層１０４を積層した。中間層１０４の成膜温度
は８００℃とし、また、層厚は１５ｎｍとした。透過型
電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いた断面ＴＥＭ像及び制限視
野電子線回折図形から、中間層１０４の内部には閃亜鉛
鉱型の結晶体１０４ａの存在が確認された。結晶体１０
４ａは特に、リン化硼素系半導体結晶層１０３との接合
界面の近傍の領域に多く存在していた。結晶体１０４ａ
の大きさは概ね、約２ｎｍから約５ｎｍであった。

【００２７】中間層１０４の表面上には、インジウム組
成を０．１５（＝１５％）とするウツツ鉱型の珪素（Ｓ
ｉ）ドープｎ形窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_0.85Ｉ
ｎ_0.15Ｎ）からなる活性層（発光層）１０５を堆積し
た。活性層１０５の成膜温度は、中間層１０４と同じく
８００℃とし、層厚は約３００ｎｍとした。また、活性
層１０５のキャリア濃度は約６×１０¹⁷ｃｍ^-3に設定し
た。２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）に依り計測した
活性層１０５内部のインジウム組成の深さ方向の分布は
図５に示す如く、中間層１０４との接合界面に至る迄、
約０．１５と均一であった。中間層１０４との接合界面
の近傍の活性層１０５の内部領域に於けるリン（Ｐ）原
子の濃度は約１×１０¹⁸ｃｍ^-3未満であり、ｐ形のリン
化硼素系半導体結晶層１０３より拡散して来るリン
（Ｐ）原子に対する中間層１０４の捕獲作用が顕現され
ていた。また、断面ＴＥＭ技法による観察では、リン化
硼素系半導体層１０３から活性層１０５内に貫通してく
る転位は殆ど視認されなかった。

【００２８】活性層１０５上には、単量体のリン化硼素
（ＢＰ）からなるｎ形のリン化硼素系半導体結晶層１０
６を積層した。ｎ形のリン化硼素系半導体結晶層１０６
のキャリア濃度は約１×１０¹⁹ｃｍ^-3とし、また、層厚
は約４００ｎｍとした。ｎ型のリン化硼素系半導体結晶
層１０６は、室温での禁止帯幅を大凡、３．０ｅＶとす
る単量体のリン化硼素結晶より構成した。ｎ形のリン化
硼素系半導体結晶層１０６及びｐ形のリン化硼素系半導
体結晶層１０３と活性層１０５とから、中間層１０４と
ｐ形リン化硼素系半導体結晶層１０３とのｐｎ接合構造
を備えたダブルヘテロ（ＤＨ）構造の発光部を構成し
た。

【００２９】ｎ形のリン化硼素系半導体結晶層１０６の
表面の中央部には、結線用の台座電極を兼ねる３層構造
の表面オーミック電極１０７を配置した。表面オーミッ
ク電極１０７は直径を約１２０μｍとする円形とした。
表面オーミック電極１０７の、ｎ形リン化硼素半導体結
晶層１０６と接触する部位１０７ａは、金（Ａｕ）・ゲ
ルマニウム（Ｇｅ）合金の真空蒸着膜（膜厚≒７００ｎ
ｍ）から構成した。Ａｕ・Ｇｅ真空蒸着膜１０７ａの上
には、ニッケル（Ｎｉ）真空蒸着膜（膜厚≒１００ｎ
ｍ）１０７ｂ被着させた。Ｎｉ真空蒸着膜１０７ｂの上
には、Ａｕ真空蒸着膜（膜厚≒１０００ｎｍ）１０７ｃ
を被着させた。一方、ｐ形Ｓｉ単結晶基板１０１の導電
性を活用して、基板１０１の裏面の略全面には、アルミ
ニウム（Ａｌ）真空蒸着膜（膜厚≒７００ｎｍ）からな
る裏面オーミック電極１０８を配置した。その後、積層
構造体１Ａを、基板１０１のＳｉ単結晶の＜２１１＞結
晶方向に平行及び垂直な方向に沿って裁断して、一辺を
約３５０μｍとする正方形のＬＥＤ１Ｂとした。

【００３０】表面オーミック電極１０７と裏面オーミッ
ク電極１０８との間に、順方向に２０ミリアンペア（ｍ
Ａ）の動作電流を通流し、ＬＥＤ１Ｂの発光特性を調査
した。発光中心波長は４６０ｎｍとなった。中間層１０
４のインジウム組成（＝０．０６）を、活性層１０５の
インジウム組成（＝０．１５）の半値（＝１／２）以下
としたため、この主たる発光スペクトル以外に副次的な
発光は認められず、発光は半値幅（＝ＦＷＨＭ）を約２
０ｎｍとする単色性に優れるものであった。また、結晶
型の相違する結晶体を含む構成からなる中間層１０４の
作用により、貫通転位の少ない活性層１０５をもたらす
ことが出来たため、一般の積分球を使用してチップ（ｃ
ｈｉｐ）状態で計測される輝度は９ミリカンデラ（ｍｃ
ｄ）となった。また、通常の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性
から求められた順方向電圧（Ｖｆ）は約３．７Ｖ（順方
向電流＝２０ｍＡ）であった。また、逆方向電流が１０
μＡに到達する際の電圧である逆方向電圧（Ｖｒ）は約
１０Ｖ以上であり、良好なｐｎ接合特性（整流特性）が
顕現された。以上、本発明に依って、高い発光強度を呈
しつつ且つ耐圧性に優れるリン化硼素系半導体ＬＥＤが
提供される結果となった。

【００３１】

【発明の効果】珪素単結晶からなる基板と、基板上に設
けられたリン化硼素系半導体結晶層と、リン化硼素系半
導体結晶層上に設けられた活性層の下地層となる中間層
と、中間層上にインジウム組成をＹ（０＜Ｙ≦１）とす
るＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる活性層とを利用し
てリン化硼素系半導体素子を構成するに際し、本発明で
は、活性層をなすＩＩＩ族窒化物半導体結晶層のインジ
ウム組成の１／２以下のインジウム組成のＩＩＩ−Ｖ族
化合物半導体から中間層を構成することとしたので、例
えば、ＬＥＤ等のリン化硼素系半導体発光素子にあっ
て、発光の単色性を乱す副次的な発光を回避でき、単色
性に優れる発光素子をもたらすに効果を奏する。

【００３２】また本発明では、中間層のインジウム組成
を、活性層をなすＩＩＩ族窒化物半導体結晶層のインジ
ウム組成の１／２以下とするに加え、結晶型の相違する
結晶体を含む多結晶層から中間層を構成することとした
ので、例えば、発光強度と電気的な耐圧特性に優れるリ
ン化硼素系半導体素子からなる発光ダイオードを提供で
きた。

【図面の簡単な説明】

【図１】中間層のインジウム組成が高い場合の活性層の
深さ方向のインジウム組成の分布を示す図である。

【図２】中間層がインジウムを含まない場合の活性層の
深さ方向のインジウム組成の分布を示す図である。

【図３】本発明の実施例に係るＬＥＤの平面模式図であ
る。

【図４】図３に示す破線Ｘ−Ｘ’に沿ったＬＥＤの断面
模式図である。

【図５】本発明の実施例に係わる活性層の深さ方向のイ
ンジウム組成の分布を示す図である。

【符号の説明】

１Ａ 発光素子（ＬＥＤ）用途積層構造体 １Ｂ ＬＥＤ １０１ 基板 １０２ 緩衝層 １０３ ｐ形のリン化硼素系半導体結晶層 １０４ 中間層 １０４ａ 結晶体 １０５ 活性層 １０６ ｎ形のリン化硼素系半導体結晶層 １０７ 表面オーミック電極 １０７ａ Ａｕ・Ｇｅ真空蒸着膜 １０７ｂ Ｎｉ真空蒸着膜 １０７ｃ Ａｕ真空蒸着膜 １０８ 裏面オーミック電極

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】珪素（Ｓｉ）単結晶からなる基板と、該基
   板上に設けられたリン化硼素系半導体結晶層と、該リン
   化硼素系半導体結晶層上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合
   物半導体結晶からなる中間層と、該中間層上に設けられ
   たインジウム組成をＹ（０＜Ｙ≦１）とする一般式Ａｌ
   _QＧａ_RＩｎ_YＮ（但し、０≦Ｑ＜１、０≦Ｒ＜１、Ｑ＋
   Ｒ＋Ｙ＝１）で表わされるＩＩＩ族窒化物半導体結晶か
   らなる活性層とを備えたリン化硼素系半導体素子に於い
   て、前記中間層がインジウムを含有するＩＩＩ−Ｖ族化
   合物半導体結晶からなり、該中間層のインジウム組成が
   前記活性層をなすＩＩＩ族窒化物半導体結晶のインジウ
   ム組成（Ｙ）の１／２以下であることを特徴とするリン
   化硼素系半導体素子。
2. 【請求項２】前記中間層が、閃亜鉛鉱型（ｚｉｎｃ ｂ
   ｌｅｎｄｅ）の結晶体を含むウルツ鉱型（Ｗｕｒｔｚｉ
   ｔｅ）のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなる多結晶
   層から構成されることを特徴とする請求項１に記載のリ
   ン化硼素系半導体素子。
3. 【請求項３】前記中間層が、ウルツ鉱型の結晶体を含む
   閃亜鉛鉱型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶からなる多
   結晶層から構成されることを特徴とする請求項１に記載
   のリン化硼素系半導体素子。
4. 【請求項４】前記リン化硼素系半導体結晶層がリン化窒
   化硼素・インジウム（Ｂ _AＩｎ_DＮ_{1- δ}Ｐ_δ：０＜Ａ≦
   １、０≦Ｄ＜１、Ａ＋Ｄ＝１、０＜δ≦１）混晶から構
   成され、前記中間層が窒化アルミニウム・ガリウム・イ
   ンジウム（Ａｌ_γＧａ_βＩｎ_αＮ：０＜α≦０．５、０
   ≦β＜１、０≦γ＜１、、α＋β＋γ＝１）混晶から構
   成され、前記活性層が窒化アルミニウム・ガリウム・イ
   ンジウム（Ａｌ_QＧａ_RＩｎ_YＮ：０＜Ｙ≦１、０≦Ｑ＜
   １、０≦Ｒ＜１、Ｑ＋Ｒ＋Ｙ＝１）混晶から構成され、
   α≦０．５×Ｙであることを特徴とする請求項１乃至３
   に記載のリン化硼素系半導体素子。
5. 【請求項５】前記リン化硼素系半導体結晶層がリン化硼
   素・インジウム（Ｂ_AＩｎ_DＰ：０＜Ａ≦１、０≦Ｄ＜
   １、Ａ＋Ｄ＝１）混晶から構成され、前記中間層が窒化
   ガリウム・インジウム（Ｇａ_βＩｎ_αＮ：０＜α≦０．
   ５、０≦β＜１、α＋β＝１）混晶から構成され、活性
   層が窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_RＩｎ_YＮ：０＜Ｙ
   ≦１、０≦Ｒ＜１、Ｒ＋Ｙ＝１）混晶から構成され、α
   ≦０．５×Ｙであることを特徴とする請求項４に記載の
   リン化硼素系半導体素子。
6. 【請求項６】前記中間層を有機金属化学的気相堆積法
   （ＭＯＣＶＤ法）で成膜する請求項１ないし５に記載の
   リン化硼素系半導体素子の製造方法。
7. 【請求項７】前記中間層の成長温度を７００℃〜９５０
   ℃とする請求項６に記載のリン化硼素系半導体素子の製
   造方法。
8. 【請求項８】請求項１ないし５に記載のリン化硼素系半
   導体素子からなる発光ダイオード。