JP2005340798A - 化合物半導体発光素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 ｐ形リン化硼素系半導体層を備えてなるｐｎ接合型化合物半導体発光ダイオードにあって、順方向電圧の低いＬＥＤを安定して提供できる様にする。
【解決手段】 結晶基板１００上に設けたｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層１０５上に、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる薄膜層を介在させて形成した、低抵抗のｐ形リン化硼素系半導体層１０６を利用して発光ダイオードを構成する。特に、ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層１０５の（０００１）面とのマッチングに優れる（１１１）リン化硼素系半導体層１０６を利用して構成する。また、リン化硼素系半導体層１０６は、アンドープ層であるのが、発光波長の安定したＬＥＤを得る上で好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、低抵抗のｐ形のリン化硼素系半導体層を利用して順方向電圧の低いｐｎ接合型化合物半導体発光素子を構成するための技術に関する。

主に、青色帯から緑色帯の出射するための発光素子として、従来から、窒素（元素記号：Ｎ）等を第Ｖ族構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（ＩＩＩ族窒化物半導体）層を発光層とする発光ダイオード（英略称：ＬＥＤ）やレーザダイオード（英略称：ＬＤ）が知れている（例えば、特許文献１参照）。この様な、所謂、短波長可視光を出射するＬＥＤには、従来から、主に、窒化ガリウム・インジウム混晶（組成式Ｇａ_ＹＩｎ_ＺＮ：０≦Ｙ，Ｚ≦１、Ｙ＋Ｚ＝１）層からなる発光層が用いられている（例えば、特許文献２参照）。
特開昭４９−１９７８３号公報 特公昭５５− ３８３４号公報 特開平２−２８８３８８号公報 特開平２−２７５６８２号公報 赤崎 勇著、「ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体」、１９９５年、（株）培風館、初版、第１３章

通常、ｎ形のＩＩＩ族窒化物半導体から構成される発光層には、発光をもたらす放射再結合を起こさせるためのキャリア（電子及び正孔）を発光層に供給するためのクラッド（ｃｌａｄ）層を異種（ｈｅｔｅｒｏ）接合させるが一般的となっている（例えば、非特許文献１参照）。発光層に正孔（ｈｏｌｅ）を供給するためのｐ形クラッド層は、従来から、窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ：０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）から構成されるのが一般的となっている（非特許文献１参照）。

また、ｐ形のＡｌ_ＸＧａ_ＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）層上に、マグネシウム（元素記号：Ｍｇ）等のｐ形不純物を添加（ドーピング）したｐ形リン化硼素（ＢＰ）層を、オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極を設けるためのコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層として設けて、発光素子を構成する技術が知れている（例えば、特許文献３参照）。例えば、閃亜鉛鉱結晶型（ｚｉｎｃ−ｂｌｅｎｄｅ）のＭｇをドーピングしたリン化硼素層とＧａ_０．４Ａｌ_０．６Ｎ層とからなる超格子構造層に接合させて設けたＭｇドープｐ形ＢＰ層をコンタクト層としてレーザダイオード（略称：ＬＤ）が構成されている（例えば、特許文献４参照）。

リン化硼素に代表されるリン化硼素系半導体結晶は、一般に立方晶閃亜鉛鉱型の結晶型を有する。立方晶結晶では、価電子帯が縮退しているため、六方晶結晶に比較すれば、ｐ形の伝導を呈する結晶層が得られ易いとされている（特開平２−２７５６８２号公報（前出の特許文献４参照）。しかしながら、リン化硼素系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶層に、例えば、Ｍｇ等の第II族元素の不純物をドーピングしても、抵抗率が小さく一定である、抵抵抗のｐ形導電層が安定して得られるとは限らない。むしろ、Ｍｇはリン化硼素に対してドナー不純物として作用するかの如く、Ｍｇのドーピングに依り、高抵抗か或いはｎ形の伝導を呈するリン化硼素系半導体層が帰結される場合がある。

例えば、特許文献３において開示されるところの、Ｍｇをドーピングしたｐ形のＧａＡｌＢＮＰＩＩＩ族窒化物半導体混晶層上にｐ形ＢＰ層を設ける積層構造を得んがために、例え、Ｍｇを故意に添加したところで、低抵抗のｐ形ＢＰ層を安定して形成出来得ていない。このため、ｐ形リン化硼素系半導体層を用いたｐｎ接合型化合物半導体発光素子にあって、順方向電圧(所謂、Ｖｆ)の低いＬＥＤ等を提供するに支障となっている。

本発明の目的は、従来のＡｌ_ＸＧａ_ＹＮ（０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）等の六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層上に設けたｐ形リン化硼素系半導体層を利用して、ｐｎ接合型化合物半導体発光素子を構成するに際し、高い正孔濃度を有し、従って、低抵抗であるｐ形リン化硼素系半導体層を安定してもたらさせる積層構造を提示すると共に、低い順方向電圧を有するＬＥＤ等の発光素子を提供することにある。

上記の本発明の目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用した。
（１）結晶基板と、該結晶基板上に設けられた六方晶でｎ形のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ形発光層と、該ｎ形発光層上に設けられた六方晶でｐ形のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ形層（ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層）と、該ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層上に設けられた立方晶閃亜鉛鉱結晶（ｓｐｈａｒｌｅｉｔ）型のｐ形のリン化硼素（ＢＰ）系半導体層と、該ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層上に形成されたアンドープで六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる薄膜層とを備えてなるｐｎ接合型化合物半導体発光素子であって、
前記ｐ形のリン化硼素系半導体層が、前記アンドープで六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる薄膜層に接合させて設けられている、ことを特徴としている。

（２）前記（１）記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子において、
前記ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層が、アルミニウム（元素記号：Ａｌ）を必須の構成元素として含む、ウルツ鉱結晶型の窒化アルミニウム・ガリウム層から構成され、その組成が、
組成式 Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ：０＜Ｘ≦１，
０≦Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ＝１
で示されてなる、ことを特徴としている。

（３）前記（１）または（２）記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子において、
前記ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層の表面に設ける、ｐ形リン化硼素系半導体層がアンドープ結晶層である、ことを特徴としている。

（４）前記（１）乃至（３）の何れか１項に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子において、
前記ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層の表面が（０００１）結晶面であり、その表面上に設けるｐ形のリン化硼素系半導体層が、（０００１）結晶面のａ軸に、[１１０]方向を平行とする（１１１）結晶層である、ことを特徴としている。

本発明に記載の第１の発明に依れば、立方晶閃亜鉛鉱結晶型のｐ形のリン化硼素系半導体層とを備えたｐｎ接合型化合物半導体発光素子に於いて、ｐ形のリン化硼素系半導体層を、ｐ形クラッド層等をなすｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層上に形成した、アンドープで六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる薄膜層に接合させて設けることとしたので、ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層に添加されたｐ形不純物の熱拡散により、ｐ形のリン化硼素系半導体層を安定して形成できない問題点を回避して、ｐ形オーミック電極を形成するに好都合となる低抵抗のｐ形リン化硼素系半導体層を安定して形成できるため、順方向電圧の低いｐｎ接合型化合物半導体発光ダイオードを提供するに効果を上げられる。

また、本発明に記載の第２の発明に依れば、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる薄膜層を、アルミニウムを構成元素として含む、六方晶ウルツ鉱結晶型の窒化アルミニウム・ガリウム（組成式Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ：０＜Ｘ≦１，０≦Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ＝１）層から構成することとしたので、ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層に添加されたｐ形不純物の、ｐ形のリン化硼素系半導体層への拡散、侵入がより良く抑制されるため、低抵抗のｐ形リン化硼素系半導体層をより安定して形成でき、順方向電圧の低いｐｎ接合型化合物半導体発光ダイオードを提供するに効果を上げられる。

また、本発明の第３の発明に依れば、ＩＩＩ族窒化物半導体からなる薄膜層の表面に設ける、ｐ形リン化硼素系半導体層をアンドープ結晶層から構成することとしたので、ｐ形リン化硼素系半導体層から、例えば、発光層への拡散するｐ形不純物の量が低減されるため、発光波長の安定したｐｎ接合型化合物半導体発光ダイオードを得るに効果を上げられる。

また、本発明の第４の発明に依れば、ｐ形のリン化硼素系半導体層を、ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層の（０００１）結晶表面上に、その（０００１）結晶面のａ軸に[１１０]方向を平行とする（１１１）結晶層から構成することとしたので、ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層との格子のマッチング性に優れるｐ形リン化硼素系半導体層を形成できるため、局所的な耐電圧不良の少ないｐｎ接合型化合物半導体発光ダイオードを得るに効果を上げられる。

本発明のリン化硼素系半導体とは、硼素（元素記号：Ｂ）とリン（元素記号：Ｐ）とを必須の構成元素として含む例えば、Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_{１−α−β−γ}Ｐ_１−δＡｓ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１である。また、例えば、Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_{１−α−β−γ}Ｐ_１−δＮ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）である。特に、本発明で好適に利用できるのは、構成元素数が少ないため、形成が容易な例えば、単量体のリン化硼素（ＢＰ）、リン化硼素・ガリウム・インジウム（組成式Ｂ_αＧａ_γＩｎ_{１−α−γ}Ｐ：０＜α≦１、０≦γ＜１）、また、窒化リン化硼素（組成式ＢＰ_１−δＮ_δ：０≦δ＜１）や砒化リン化硼素（組成式Ｂ_αＰ_１−δＡｓ_δ）等の複数のＶ族元素を含む混晶である。

リン化硼素系半導体層は、ハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）法、ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ；水素化物）法やＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相堆積）法等の気相成長手段に依り形成する。また、分子線エピタキシャル法でも形成できる（Ｊ．Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｈｅｍ．，１３３（１９９７）、２６９〜２７２頁参照）。例えば、ｐ形の単量体のリン化硼素（ＢＰ）層は、トリエチル硼素（分子式：（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ）とホスフィン（分子式：ＰＨ_３）を原料とする常圧（略大気圧）或いは減圧ＭＯＣＶＤ法で形成できる。
ｐ形ＢＰ層の形成温度としては、１０００℃〜１２００℃が適する。不純物を故意に添加しない（アンドープ）でｐ形のリン化硼素層を形成するには、原料供給比率（Ｖ／ＩＩＩ比率；例えば、ＰＨ_３／（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ濃度比率）は、１０〜５０とするのが適する。

本発明に係わるｐ形リン化硼素系半導体層は、発光層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体材料やＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料を超える広い禁止帯幅（ｗｉｄｅ ｂａｎｄｇａｐ）の材料から構成する。例えば、室温での禁止帯幅を２．７ｅＶとするＩＩＩ族窒化物半導体からなる青色光を出射する発光層について、室温の禁止帯を２．８エレクトロンボルト（単位：ｅＶ）〜５．０ｅＶとするリン化硼素系半導体層を用いる。数量的に単一の結晶層からなる発光層、或いは量子井戸構造の発光層をなす井戸（ｗｅｌｌ）層との禁止帯幅の差異は、０．１ｅＶ以上であれば良い。これ以上の禁止帯幅の差があれば、発光層からの発光を外部に透過するにも充分となる。禁止帯幅は、吸収係数の光子エネルギー（＝ｈ・ν）依存性などから求められる。また、屈折率（ｎ）及び消衰係数（ｋ）の積値（＝２・ｎ・ｋ）の光子エネルギー依存性から求められる。

成長温度、Ｖ／ＩＩＩ比率に加えて、成長速度を精密に制御すれば、禁止帯幅の大きなｐ形リン化硼素系半導体層を形成できる。例えば、ＭＯＣＶＤ法に依り、単量体のリン化硼素層を形成するに際し、成長速度を毎分２ｎｍ以上で３０ｎｍ以下の範囲に設定すると、室温での禁止帯幅を２．８ｅＶ以上とするリン化硼素層が得られる（特願２００１−１５８２８２号参照）。特に、室温での禁止帯幅を２．８ｅＶ以上で５．０ｅＶ以下とするリン化硼素系半導体層は、発光を透過できる窓層を兼用するコンタクト層として好ましく利用できる。

本発明のｐ形リン化硼素系半導体層は、Ｍｇでは無く、ベリリウム（元素記号：Ｂｅ）を故意に添加（ドーピング）したｐ形層からも構成できるが、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）層であるのが好適である。例えば、アンドープ状態で、正孔濃度が１０^１９ｃｍ^−３を超える低抵抗の単量体のリン化硼素（ＢＰ）層は好ましく利用できる。アンドープのリン化硼素系半導体層では、そもそも添加されるｐ形不純物量が無いため、下方のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層や発光層へ拡散する不純物も減少させられる。このため、リン化硼素系半導体層に添加したｐ形不純物の拡散に因り、発光層のキャリア濃度、しいては伝導形が変化し、所望とは異なる順方向電圧（Ｖｆ）或いは予定とは異なる波長の発光が帰結される問題を解決できる。

本発明に係わるｐ形リン化硼素系半導体層は、発光層上に例えば、クラッド層として設けたｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層上に形成したｎ形またはｐ形のＩＩＩ族窒化物半導体からなる薄膜層を介して設ける。発光層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体を超える禁止帯幅の高いＩＩＩ族窒化物半導体から薄膜層を構成すると、発光層からの発光を外部に取り出すに優位となる。

ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層は、例えば、珪素（元素記号：Ｓｉ）やゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）をドーピングして形成できる。また、ベリリウム（Ｂｅ）等の第II族元素をドーピングして形成できる。しかし、伝導形を制御するためのｎ形またはｐ形不純物が添加されていないアンドープ層であるのが好適である。また、ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層の層厚は、トンネル（ｔｕｎｎｅｌ）効果が充分に発現される様に、層厚は２０ナノメータ（ｎｍ）以下であるのが望ましい。一方で、ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層の層厚は１ナノメータ（ｎｍ）以上であるのが望ましい。下地層とする例えば、窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ：０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）からなるｐ形クラッド層の表面の全域を被覆するには１ｎｍ以上の厚さが必要である。

ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層は、ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層に添加されているｐ形不純物のｐ形リン化硼素系半導体層への拡散を抑制するに作用を有する。例えば、ｐ形窒化ガリウム（ＧａＮ）クラッド層にドーピングされたＭｇが、多量にリン化硼素層へ侵入して来るのを抑制するに有効に作用する。従って、ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層を介在させることに依り、ｐ形の伝導を呈するリン化硼素系半導体層を安定して形成できる。特に、ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層を形成するために一般的に利用されているＭｇの原子濃度を、表面で５×１０^１８ｃｍ^−３以下とするＩＩＩ族窒化物半導体からなる薄膜層は、その上に、ｐ形の伝導を呈するリン化硼素系半導体層を安定してもたらすに有効に作用する。ＩＩＩ族窒化物半導体層の表面及びその内部でのｐ形不純物の原子濃度は、例えば、２次イオン質量分析法（略称：ＳＩＭＳ）やオージェ（Ａｕｇｅｒ）電子分光法に依り定量できる。

一般に、７００℃から８００℃の比較的に低温で成長される発光層上に、より高温で形成したｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層を下地層として利用すると、結晶性に優れるｐ形リン化硼素系半導体層を形成できる。例えば、１０００℃から１２００℃の高温で成長させた六方晶のウルツ鉱結晶型の（０００１）−ＩＩＩ族窒化物半導体層上には、六方晶の底面結晶格子に於けるａ軸に、[１１０]方向を平行とする（１１１）結晶面からなる、マッチングに優れるｐ形リン化硼素系半導体層を成長できる優位性がある。特に、窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ：０≦Ｘ，Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ＝１）層の（０００１）表面上には、格子面間隔上の良好なマッチング性に依り、ミスフィット（ｍｉｓｆｉｔ）転位の少ない良質のｐ形（１１１）リン化硼素系半導体層を成長できる。成長させたｐ形のリン化硼素半導体層の結晶の方位は例えば、Ｘ線回折手段或いは電子線回折手段を利用すれば調査できる。

また、特に、アルミニウム（元素記号：Ａｌ）を構成元素として含むＡｌ_ＸＧａ_ＹＮ（此処では、０＜Ｘ，Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ＝１）からなるＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層は、インジウム（元素記号：Ｉｎ）を含むＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層よりも表面の平坦性に優れる層が形成され易い。例えば、粗さを、ｒｍｓ値として０．５ｎｍ以下とする平坦で平滑な表面のＡｌ_ＸＧａ_ＹＮ（此処では、０＜Ｘ，Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ＝１）が安定して形成され得る。このため、ｐ形の伝導形を呈する、より低抵抗の（１１１）リン化硼素系半導体層を安定して成長するに優位となる。例えば、アルミニウム（Ａｌ）組成比（＝Ｘ）を０．１とするＡｌ_０．１Ｇａ_０．９Ｎ層の、粗さを０．３ｎｍ（ｒｍｓ値）とする（０００１）表面上には、抵抗率を５×１０^−２Ω・ｃｍとする低抵抗のｐ形リン化硼素層が安定してもたらされる。

本発明に係わるｐｎ接合型化合物半導体発光素子は、上記の様な低抵抗で、ｐ形のリン化硼素系半導体層上に、ｐ形オーミック電極（正極）を設けて形成する。ｐ形リン化硼素系半導体層については、ニッケル（元素記号：Ｎｉ）単体（ドイツ（旧西ドイツ）特許第１１６２４８６号公報参照）、或いはＮｉ合金、金（元素記号：Ａｕ）・亜鉛（Ｚｎ）や金（Ａｕ）・ベリリウム（Ｂｅ）合金等から形成できる。重層構造からオーミック電極を構成するにあって、最上層は、結線（ｂｏｎｄｉｎｇ）を容易となすため、金（Ａｕ）またはアルミニウム（Ａｌ）から構成するのが好適である。また、例えば、３層の重層構造のオーミック電極にあって、底面部と最上層との中間に設ける中間層は、チタン（元素記号：Ｔｉ）、モリブデン（元素記号：Ｍｏ）等の遷移金属或いは白金（元素記号：Ｐｔ）から構成され得る。一方のｎ形オーミック電極（負極）は、ｎ形の基板、或いは、基板上に形成されたｎ形層上に設ければ良い。

＜作用＞
ｐ形リン化硼素系半導体層を形成するための下地層となるＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層は、低抵抗のｐ形リン化硼素系半導体層を安定してもたらす作用を有する。

特に、アルミニウム（Ａｌ）を必須の構成元素として含むＡｌ_ＸＧａ_ＹＮ（０＜Ｘ≦１，０≦Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ＝１）から構成された、表面の平坦性及び平滑性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層は、ｐ形オーミック電極をもたらすにも好都合となる低抵抗のｐ形リン化硼素系半導体層を安定してもたらす作用を有する。

（第１実施例）
アンドープのＩＩＩ族窒化物半導体層に接合させて設けたｐ形のリン化硼素半導体層を備えたｐｎ接合型化合物半導体ＬＥＤを構成する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。

図１にダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造のＬＥＤ１０の断面構造を模式的に示す。また、図２には、ＬＥＤ１０の平面模式図を示す。

ＬＥＤ１０は、（０００１）−サファイア（α−Ａｌ_２Ｏ_３単結晶）基板１００上に、次記の（１）−（６）項に記載の成長層を順次、積層させた積層構造体から構成した。

（１）アンドープＧａＮからなる緩衝層１０１（厚さ（ｔ）＝１５ｎｍ）（２）珪素（Ｓｉ）をドープしたｎ形ＧａＮ層（キャリア濃度（ｎ）＝７×１０^１８ｃｍ^−３、ｔ＝３μｍ）からなる下部クラッド層１０２（３）アンドープでｎ形のＧａ_０．８６Ｉｎ_０．１４Ｎ層を井戸層とする発光層１０３（４）マグネシウム（Ｍｇ）をドープしたｐ形Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層（キャリア濃度（ｐ）＝４×１０^１７ｃｍ^−３、ｔ＝９ｎｍ）からなる上部クラッド層１０４（５）アンドープでｎ形のＡｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ層（ｎ＝７×１０^１６ｃｍ^−３，ｔ＝８ｎｍ）からなるＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層１０５（６）アンドープでｐ形のリン化硼素（ＢＰ）からなるｐ形リン化硼素系半導体層（キャリア濃度（ｐ）＝２×１０^１９ｃｍ^−３、ｔ＝３５０ｎｍ）１０６

発光層１０３は、Ｓｉをドーピングしたｎ形ＧａＮ層（ｔ＝１２ｎｍ）を障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層とする多重量子井戸構造とした。発光層１０３は、ｎ形下部クラッド層１０２に接合する層を井戸層とし、ｐ形上部クラッド層１０４に接する側を井戸層とする積層周期数を５周期とする多重量子井戸構造とした。発光層１０３の成長温度は７５０℃とした。上部クラッド層１０４のｐ形Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ層は、発光層１０３をなす井戸層及び障壁層を形成した温度（＝７５０℃）よりも高温の１１００℃で成長させた。

一般的な２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）でアンドープＡｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ層からなるＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層１０５の内部のマグネシウム（Ｍｇ）原子の濃度を定量した。マグネシウム（Ｍｇ）の原子濃度は、下層のＭｇドープＡｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ層ｐ形Ａｌ_０．１５Ｇａ_０．８５Ｎ上部クラッド層１０４との接合界面から、ＩＩＩ族窒化物半導体層１０５の表面に向けて減少しているのが確認され、同層１０５の表面でのＭｇの原子濃度は、４×１０^１７ｃｍ^−３であった。

ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層１０５上のアンドープでｐ形のリン化硼素（ＢＰ）層１０６は、トリエチル硼素（分子式：（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ）を硼素（Ｂ）源とし、ホスフィン（分子式：ＰＨ_３）をリン源とする常圧（略大気圧）有機金属化学的気相体積（ＭＯＣＶＤ）手段を利用して形成した。ｐ形リン化硼素層１０６は、１０５０℃で形成した。ｐ形リン化硼層１０６を気相成長させる際のＶ／ＩＩＩ比率（＝ＰＨ_３／（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ濃度比率）は１５に設定した。成長速度を毎分２５ｎｍとして成長させたｐ形リン化硼素層１０６の層厚は３５０ｎｍとした。

一般的な分光エリプソメータ（ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｅｒ）を使用して測定した屈折率及び消衰係数を利用して求めたｐ形リン化硼素層１０６の室温での禁止帯幅は約３．１ｅＶであった。また、一般的な電解Ｃ−Ｖ（容量−電圧）法で計測されたアンドープでｐ形のリン化硼素層１０６のアクセプタ（ａｃｃｅｐｔｏｒ）濃度は２×１０^１９ｃｍ^−３であった。

また、一般的な透過型電子顕微鏡（略称：ＴＥＭ）を使用して撮像した制限視野電子線回折（略称：ＳＡＤ）像から、アンドープでＡｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ層からなるＩＩＩ族窒化物半導体層１０５とｐ形リン化硼素層１０６との積層関係を調査した。ＳＡＤ像の解析から、Ａｌ_０．１０Ｇａ_０．９０ＮＩＩＩ族窒化物半導体層１０５は六方晶の結晶層であり、ｐ形リン化硼素層１０６は立方晶の結晶層であるのが確認された。また、Ａｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ層１０５からの（０００１）に係わる回折斑点（ｓｐｏｔ）と、ｐ形リン化硼素層１０６からの（１１１）に係わる回折点とが同一直線上に出現することから、Ａｌ_０．１０Ｇａ_０．９０ＮＩＩＩ族窒化物半導体層１０５の（０００１）表面上には、その結晶面に平行に、ｐ形リン化硼素層１０６の（１１１）結晶面が積重しているのが証明された。

ｐ形リン化硼素層１０６の表面には、通常の真空蒸着法及び電子ビーム蒸着法に依り、金（Ａｕ）膜とニッケル（Ｎｉ）酸化膜とを重層させた重層膜を格子状に配置した電極（格子状電極）からなるｐ形オーミック電極１０７を設けた（図２参照）。ｐ形リン化硼素層１０６の一端には、ｐ形オーミック電極１０７上に、それと接触させて、金（Ａｕ）膜からなる結線用の台座（ｐａｄ）電極１０８を設けた。一方の台座電極を兼ねるｎ形オーミック電極１０９は、一般的なプラズマエッチング手段を利用し、選択エッチングして露出させたｎ形ＧａＮ層からなる下部クラッド層１０２の表面上に設けた。その後、積層構造体１１を裁断して、一辺を４００μｍとする正方形のＬＥＤチップ１０に分割した。

ｐ形びｎ形オーミック電極１０７、１０９の間に、順方向に２０ｍＡの素子駆動電流を流通してＬＥＤチップ１０の発光特性を確認した。ＬＥＤ１０からは中心の波長を４６０ｎｍとする青色帯光が放射された。一般的な積分球を利用して測定される樹脂モールド以前のチップ状態での発光出力は、５ミリワット（ｍＷ）の高値に達した。

また、アンドープのＩＩＩ族窒化物半導体層１０５を介在させて設けた低抵抗のリン化硼素層１０６上にｐ形オーミック電極１０７を形成したため、接触抵抗の低いオ−ミック電極となり、順方向電圧（Ｖｆ）は３．５Ｖであった。一方、逆方向電流を１０μＡとした際の逆方向電圧は１０Ｖを越え、逆方向の耐電圧に優れるＬＥＤ１０が提供された。特に、ｐ形オーミック電極１０７を設けるためのｐ形リン化硼素系半導体層１０６を、六方晶の（０００１）結晶面上に形成した、結晶格子のマッチング性に優れる（１１１）結晶層から構成したため、局所的な耐電圧不良（ｌｏｃａｌ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）の少ないＬＥＤ１０となった。

（第２実施例）
アンドープのＩＩＩ族窒化物半導体層に接合させて設けたｐ形のリン化硼素・アルミニウム層を備えたｐｎ接合型化合物半導体ＬＥＤを構成する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。

上記の第１実施例に記載したサファイア基板上に、第１実施例と同一の構成からなる緩衝層、ｎ形下部クラッド層、発光層、ｐ形上部クラッド層、及びアンドープＡｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ層を形成した。その後、アンドープＡｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ層からなるＩＩＩ族窒化物半導体層にアンドープでｐ形のリン化硼素・アルミニウム（組成式Ｂ_０．９８Ａｌ_０．０２Ｐ）層を接合させて設けた。ｐ形リン化硼素系半導体層をなすＢ_０．９８Ａｌ_０．０２Ｐ層のキャリア濃度は約７×１０^１７ｃｍ^−３とし、層厚は２００ｎｍとした。

電子線回折像を解析した結果、上記のｎ形下部クラッド層、発光層、ｐ形上部クラッド層、及びアンドープＡｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ層は、何れも六方晶の結晶層であった。
また、面方位は何れも（０００１）であることが確認された。また、電子線回折斑点が出現する相対的位置関係から、アンドープのＢ_０．９８Ａｌ_０．０２Ｐ層は、Ａｌ_０．１０Ｇａ_０．９０Ｎ層の（０００１）結晶面のa軸に＜１１０＞方向を平行とする立方晶の（１１１）結晶からなる層であると認められた。

本第２実施例では、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体層上に設けるｐ形リン化硼素系半導体層を、アルミニウム（Ａｌ）を構成元素として含むｐ形リン化硼素系半導体材料（Ｂ_０．９８Ａｌ_０．０２Ｐ）から構成したため、低抵抗で表面の平坦性に優れるｐ形リン化硼素系半導体層がもたらされた。

上記の第１実施例に記載したとおりに形成したｐ形びｎ形オーミック電極の間に、順方向に２０ｍＡの素子駆動電流を流通してＬＥＤチップの発光特性を確認した。ＬＥＤからは中心の波長を４６０ｎｍとする青色帯光が放射された。上記の第１実施例の場合と同じく、ｐ形リン化硼素系半導体層を、アンドープ層から構成したため、ｐ形リン化硼素系半導体層から発光層等へ拡散するｐ形不純物の量も低減された。このため、ｐ形リン化硼素系層を構成する半導体材料を上記の第１実施例と変えても、のＬＥＤの発光波長には変化は認められなかった。一般的な積分球を利用して測定される樹脂モールド以前のチップ状態での発光出力は、５ミリワット（ｍＷ）であった。

また、アルミニウムを構成元素として含み、表面の平坦性に優れるアンドープのリン化硼素系半導体層（Ｂ_０．９８Ａｌ_０．０２Ｐ層）を利用したため、接触抵抗の低いｐ形オ−ミック電極が形成された。順方向電圧（Ｖｆ）は３．４Ｖと低値となった。一方、逆方向電流を１０μＡとした際の逆方向電圧は１５Ｖを越え、逆方向の耐電圧により優れるＬＥＤが提供された。

本発明によれば、ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層に添加されたｐ形不純物の熱拡散により、ｐ型のリン化硼素系半導体層を安定して形成できない問題点を回避して、ｐ形オーミック電極を形成するに好都合となる低抵抗のｐ形リン化硼素系半導体層を安定して形成できる。このため、順方向電圧の低いｐｎ接合型化合物半導体発光ダイオードを提供するに効果を上げられる。

本発明に係る第１実施形態のＬＥＤの断面構造を示す模式図である。 本発明に係る第２実施形態のＬＥＤの断面構造を示す模式図である。

符号の説明

１０…ＬＥＤ、１００…結晶基板、１０１…緩衝層、１０２…下部クラッド層、１０３…光層、１０４…上部クラッド層、１０５…ＩＩＩ族窒化物半導体薄膜層、１０６…ｐ形リン化硼素系半導体層、１０７…ｐ形オーミック電極、１０８…台座電極、１０９…ｎ形オーミック電極

Claims (4)

1. 結晶基板と、該結晶基板上に設けられた六方晶でｎ形のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｎ形発光層と、該ｎ形発光層上に設けられた六方晶でｐ形のＩＩＩ族窒化物半導体からなるｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層と、該ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層上に設けられた立方晶閃亜鉛鉱結晶型のｐ形のリン化硼素系半導体層と、該ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層上に形成されたアンドープで六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる薄膜層とを備えてなるｐｎ接合型化合物半導体発光素子であって、
   前記ｐ形のリン化硼素系半導体層が、前記アンドープで六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる薄膜層に接合させて設けられている、ことを特徴とするｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
2. 請求項１に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子において、
   前記ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層が、アルミニウムを必須の構成元素として含む、ウルツ鉱結晶型の窒化アルミニウム・ガリウム層から構成され、その組成が、
   組成式 Ａｌ_ＸＧａ_ＹＮ：０＜Ｘ≦１，
   ０≦Ｙ＜１、Ｘ＋Ｙ＝１
   で示されてなる、ことを特徴とするｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
3. 請求項１または２に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子において、
   前記ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層の表面に設ける、ｐ形リン化硼素系半導体層がアンドープ結晶層である、ことを特徴とするｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載のｐｎ接合型化合物半導体発光素子において、
   前記ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層の表面が（０００１）結晶面であり、その表面上に設けるｐ形のリン化硼素系半導体層が、（０００１）結晶面のａ軸に、[１１０]方向を平行とする（１１１）結晶層である、ことを特徴とするｐｎ接合型化合物半導体発光素子。
   

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