JP2006339629A

JP2006339629A - 半導体素子

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Publication number: JP2006339629A
Application number: JP2006124959A
Authority: JP
Inventors: Takao Misaki; 貴生三崎; Yukio Narukawa; 幸男成川; Masatsugu Ichikawa; 将嗣市川
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2005-05-02
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2006-12-14

Abstract

【課題】本発明は、Si基板上へのGaN系LED形成において、該LEDの保護素子構造をSi基板側に設けた半導体素子を得る。
【解決手段】Si基板10を有するSi半導体の保護素子部110と、該基板10上に、窒化物半導体層130が積層された発光素子構造部120と、を有し、該保護素子部110と発光素子構造部120の接合部20が、p型Si半導体とn型窒化物半導体層とで形成されている半導体素子。その半導体素子100が、三端子素子であり、該三端子が、前記発光構造部120のｐ，ｎ電極26, 25と、前記基板10の前記発光素子構造部120が設けられた主面に対向する主面に設けられた保護素子部110のｎ電極15である。
【選択図】図１

Description

本願発明は、Si基板上に設けられた発光素子部を有する半導体素子に係り、特にSi基板に保護素子部を有し、Si基板上に窒化物半導体の発光素子構造が積層された積層構造体の半導体素子に関する。

Si基板上にGaN系発光素子を形成して、該Si基板側には、MOS（特許文献１）やPD（特許文献２）などを設ける集積素子が提案されている。

また、同一材料系の発光素子構造中にトンネル接合を設ける構造について、文献３に提示がある。

さらに、p-SiC基板上に、p-SiC層を成長させて、更にその上にInGaN活性層、AlGaNクラッド層を積層した発光素子構造が文献４で提案されている。

特開平7-321051号公報文献1の類似として、特開平6-334168号公報、特開2000-183325号公報。

特開2000-004047号公報文献2の類似として特開2000-269542号公報。

特開2002-050790号公報文献３の類似として特開2003-60236号公報。

特開平11-224958号公報文献４の類似として特開平11-243228号公報、特開平11-251635号公報。

特開平9-213918号公報文献５の類似として特開平9-148625号公報、特開平10-200159号公報。

上記集積素子において、例えば文献１では、基板面内に、LED部分とMOS部分を配置するため、1つの素子当たりの面積が大きくなるため製造コストが高くなる。一方で、面内で集積された素子は、各素子部を配線する必要性があるため工数が多くなり、製造コストも増大する。また、発光素子部分の面内で占める面積比が低いため、発光装置などに実装した際に、素子の実装面積が大きさに比して発光部分が小さく、好適な光出力が得られがたい。さらに、面内で発光素子部分とMOS部分が配置されるため、素子面内におけるLED、即ち光源の位置に制約が生まれ、発光装置などの実装において、点光源の位置調整が難しく、加えて発光装置における反射板などの光学設計が困難となり、好適な光出力の発光装置が得られがたい。

他方、上記集積素子の別の例として、文献２などにあるように、Si基板に拡散層などで、pn接合を形成して受光素子などを形成し、その基板上に積層されたLED素子を設ける方法があるが、Si基板とLED素子の化合物半導体との異種接合界面において、素子動作における好適な接合が実現できず、各素子（Si基板、LED素子）を十分に駆動させることが困難であった。具体的には、異種接合界面において、その界面におけるバンドオフセットなど、さらにはバイアス時におけるバンドなど十分な適合を図ることが困難となる。本発明者らによる考察では、Ｓｉ基板と窒化物半導体層との接合では、図７に示すように、接合すると両者の間（界面）には高い電気障壁が存在するため、上記従来のSi基板を用いた窒化物系半導体素子には、順方向電圧（Ｖｆ）が非常に高いという問題があることを見出した。そこで、本発明の一態様では、基板にＳｉを用いる半導体素子において、このSi/GaN異種接合で順方向電圧（Ｖｆ）が従来よりも低い半導体素子を提供することを目的とする。

また、文献５には、基板上に同一材料系（GaN系化合物半導体）の半導体層（p型、ｎ型）を積層して、面内で溝などにより分離、露出層（電極形成層）の組合せにより、一方をLED、他方を保護・補償ダイオードとして用いることが開示されているが、基板上の同一材料を用いて保護素子、発光素子を積層、集積するものであり、同一材料系で形成するため、各素子、特に保護素子において十分な特性を出すことが困難な傾向にある。また、面内集積であるため、上記と同様に、光出力、発光装置における実装及び製造コストの問題がある。

文献３などには、LED素子のp-n接合において、p側・n側の一方の領域に逆導電型の層を介在させて、その接合でトンネリングさせて、p側・n側の電荷をそれぞれ供給、発光層への注入をさせる方法が提案されている。しかし、これは、同一材料系の半導体発光素子構造において、同一導電型層にアノード・カソード電極を同一材料・工程などで形成することを目的としている。

文献４には、SiC基板とその上のSiC層と、その上にGaN系層とでLED素子構造を形成するとするものであるが、異種材料界面をLED構造内に設けるため、上述の異種材料界面におけるバンド間の障害が発生し、好適なLED素子を得ることが困難である。

本発明は、上記事情に鑑み、鋭意検討した結果、上記課題を解決できることを見いだした。

本発明の一態様としては、従来の面内で集積する回路構造ではなく、発光素子部と保護素子部とを縦型に積層し、重層された集積素子としている。このように発光素子部と保護素子部とを積層した素子とすることで、チップ面積に対する発光層の面積、引いては発光素子部の面積を大きく取ることができる。

本発明の一態様としては、発光素子部と保護素子部とを異なる材料、具体的には、それぞれ窒化物半導体、Si半導体で形成することで、各素子部の優れた素子特性を発揮できる。

本発明の一態様としては、発光素子部と保護素子部との接合が異種材料層の積層界面であり、これにより、発光素子部と保護素子部とを、具体的には保護回路構造となるようにツェナーダイオードとLEDとを逆並列接続する際に、一方の接続がこの積層界面でなされるため、従来のようにそのための配線及び配線構造が不要となる。具体例としては、図１〜３に見るように、保護素子部の電極構造が、基板を挟んで対向する面、基板面と積層露出面と、に設けられ、発光素子部がその露出面側の電極を共通として、他方を、別の露出面側で、基板の同一面側に正負１対の電極構造を形成する。

本発明の一態様としては、発光素子部、保護素子部の一方に、トンネル接合部が設けられることで、保護素子部から発光素子部、若しくは発光素子部から保護素子部への電流の流れ、電荷の移動を後述するように円滑なものとできる。また、共通電極を有し、該共通電極が図１〜３に示すように、積層構造内で露出された電極形成面、具体的には、Si基板電極とそれに対向して窒化物半導体の積層体表面上に設けられる電極との間の領域の層で、窒化物半導体層若しくはSi層の一部が露出された構造とでき、発光素子部を大きな面積でとることができる半導体素子とできる。このトンネル接合部は、、Si/ GaN系半導体（以下、Si/GaNという）の異種接合部で構成することを特徴とする。

本発明の一態様としては、図４に示すように、保護素子部と発光素子部とを逆並列に接続する際に、素子構造内で逆並列の一方を接続する配線４０を設けることで、正負の２端子構造とできる。具体的な構造としては、図に示すように、Si基板10の両方の主面に電極を設け、発光素子部側の電極を発光素子部の一方の電極と逆並列接続となるように配線する構造を発光素子部側の基板面側に設けることである。

本発明の一態様として、上記Si/GaN異種接合部において、Si側をｐ型、多数キャリアをホールとする、若しくはｐ型不純物を含有する層・領域（Si基板面）、GaN側をn型若しくはｎ型不純物を含有する層・領域、とすることで、更に好ましくは、高濃度で各導電型の不純物を含有し、具体的には接合部近傍以外の領域より高濃度となるようにすることである。実験的に、順方向電圧（Ｖｆ）が従来よりも低くなることが確認されたが、その理論的な理由は明らかではない。しかしながら、以下では、本発明の理論的な説明の試みとして、仮説を述べる。仮説であるから、以下の説明が、本発明を限定するものではないことはいうまでもない。

本発明は、上記Si層、Si領域（Si基板面）における能動領域の導電型をｐ型とし、またキャリアの観点から、上記Si層、Si領域（Si基板面）における能動領域の多数キャリアをホールとする。このようにすれば、上記Si層、Si領域（Si基板面）の能動領域におけるフェルミ準位が価電子帯に近づく。これを上記Si層、Si領域（Si基板面）と窒化物半導体層との接合界面のエネルギーバンド図で示すと、図５Aのようになると考えられる。さらに高濃度ドーピングすることにより、図５Bに示すように、全部または一部が縮退してフェルミ準位が価電子帯中に存在することとなる。また、窒化物半導体層における能動領域に多くの電子が存在すると、窒化物半導体層の能動領域におけるフェルミ準位が伝導帯に近づく。これも同様に図５Aに示すようなエネルギーバンド図となると考えられ、さらに高濃度ドーピングすることにより、図５Cに示すように、縮退してフェルミ準位が伝導帯中に存在することとなる。そして、上記Si層、Si領域（Si基板面）側でフェルミ準位が価電子帯中に存在し、窒化物半導体層側でフェルミ準位が伝導帯中に存在すると、図５Dのようになる。本発明において、窒化物系半導体素子に順方向電圧（Ｖｆ）をかけると、Si/GaN異種接合面には逆バイアスがかかるため、上記Si層、Si領域（Si基板面）の能動領域における価電子帯が窒化物半導体層の能動領域における伝導帯よりも高くなり、かつ接合部に形成されていた空乏層がせまくなる。これを図で示すと図５Eのようになり、これにより上記Si層、Si領域（Si基板面）の価電子帯における多数の電子が狭い空乏層をトンネルして窒化物半導体層の伝導帯に注入されると考えられる。このため、本発明によれば、基板にＳｉを用いる窒化物系半導体素子において、従来よりも、小さな電圧で大きな電流を流すことが可能となるため、順方向電圧（Ｖｆ）を従来よりも低くすることが可能になったと考えられる。ここでエネルギーバンド図として用いた図５A〜Eは、ｎ型窒化物半導体層として、ｎ型ＧａＮ層を例に用いたが、これは最良の形態を示すものであり、上記Si層、Si領域（Si基板面）に最も近い側のｎ型窒化物半導体層は、これに限定されるものではなく、ｎ型のＡｌＩｎＧａＮ層を用いることができる。ただし、なかでも結晶性よく形成できる観点からｎ型ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ≦０．５）層を用いることが好ましい。さらに最も好ましくは、２元混晶であるｎ型ＧａＮ層を用いることである。

本発明における能動領域とは、窒化物系半導体素子の基本構造を決定する領域であり、素子において正電極と負電極との間に電圧を印加したときに電流が通過する領域のことをいう。したがって、たとえば、負電荷が移動する領域（負電荷移動領域）は、能動領域に含まれる。

また、上記Si層、Si領域（Si基板面）のホール濃度を、略１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上略１×１０²¹ｃｍ^-3以下にすること、又は不純物濃度が、略１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上略１×１０²²ｃｍ^-3以下にすることで、Ｓｉの価電子帯のエネルギー位置が相対的に高くなり、また電流投入時に上記Si層、Si領域と窒化物半導体層との間における空乏層が薄くなる。そしてフェルミ準位が価電子帯中のより低いところに存在するようになり、より多数の電子が上記Si層、Si領域（Si基板面）から窒化物半導体層へ注入されることとなって、順方向電圧（Ｖｆ）をより低くすることが可能になっているものと考えられる。上記Si層、Si領域（Si基板面）に接する窒化物半導体層の電子濃度がの電子濃度を、略１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上略１×１０²¹ｃｍ^-3以下にすること、又は型不純物濃度が、略１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上略１×１０²²ｃｍ^-3以下で、窒化物半導体層の伝導帯のエネルギー位置が相対的に低くなり、また電流投入時に上記Si層、Si領域（Si基板面）と窒化物半導体層との間における空乏層が薄くなる。そしてフェルミ準位が伝導帯中のより高いところに存在することになり、より多数の電子が上記Si層、Si領域（Si基板面）から窒化物半導体層へ注入されることとなって、順方向電圧（Ｖｆ）をより低くすることが可能になっているものと考えられる。

以上説明した本発明の各態様、各々独立させても組み合わせても本発明が開示する技術思想に適用できる。

本発明の上述したような課題の解決、上述した各態様、は、次に示すような手段で構成される。

（１）Si基板を有するSi半導体の保護素子部と、該基板上に、窒化物半導体層が積層された発光素子構造部と、を有し、該保護素子部と発光素子構造部の接合部が、p型Si半導体とn型窒化物半導体層とで形成されている半導体素子とする。
例えば図１〜３に見るように、Si基板上に積層された窒化物半導体の発光素子部と、Siの保護素子とが、ｎ型窒化物半導体とp-Siとで接合された半導体素子であることで、該n-GaN/p-Si界面において、従来よりも小さな電圧にて電流を流すことができ、各素子、すなわち、LEDの駆動、保護素子の駆動が好適になされ、各素子の特性が向上する。

（２）n型Si基板上に、ｐ型Si層を有する保護素子部と、該ｐ型Si層の上に、ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層を積層した発光素子構造部と、を有する素子。

（３）Si基板を有するSi半導体の保護素子部と、該基板上に、窒化物半導体層が積層された発光素子構造部と、を有し、前記保護素子部又は前記発光素子構造部内で、トンネル接合が形成されている半導体素子とする。
この構成により、従来問題であった異種材料の接合部となる発光素子部と保護素子部との間において、電荷のトンネリングにより、移動させることで、この接合部におけるバンド障壁などを解決でき、異種材料で形成された相互の素子それぞれを好適に動作させることができる。

（４）Si基板を有するSi半導体の保護素子部と、該基板上に、窒化物半導体層が積層された発光素子構造部と、を有し、前記保護素子部が、前記発光素子部の窒化物半導体層と、Si半導体とにそれぞれ一対の電極が設けられた保護素子である半導体素子とする。
この構成により、例えば図１，３Bに示すように、Si半導体の保護素子の一対の電極の内一方を、発光素子部の窒化物半導体の電極に設けることで、保護素子は窒化物半導体層を介して、電流が流れる構造となり、逆並列に接続された際に、好適に保護される。また、LED素子の駆動においては、LED素子に設けられた電極を用いて駆動でき、その特性を維持できる。

（５）上記（１）乃至（４）記載の前記保護素子部がSi基板上にSi層を積層して形成され、発光素子部が前記保護素子部上に積層され、各素子部が重層された積層構造体である。
この構成により、従来のようにSi基板面内で、LEDとその駆動回路部(MOS)などが集積される構造に比して、小さな面積で集積可能であり、配線も不要とできる。また、発光素子として、発光装置などへの実装に際して、光源をチップの全体とでき、発光素子の特性を低下させずに、発光装置への搭載が可能となる。

（６）上記（１）乃至（５）記載の前記保護素子部が、p型Si基板内にn型領域を有する。
図３に示すように、p-Si基板とｎ型窒化物半導体層との接合において、上記異種材料間に係るバンド障壁の問題が解決できる。また、所望のpn接合領域が形成でき、Si半導体の保護素子部の特性を好適なものとできる。

（７）上記（１）乃至（５）記載の前記保護素子部が、n型Si基板上にp型Si層を設けた構造を有する。
Si半導体の保護素子の構造が、例えば図１〜３に示すように、基板上にp-Si層を設ける構造とすることで、このSi半導体と窒化物半導体との接合部におけるバンド障壁の問題を解決することができる。

（８）上記（７）記載の前記保護素子部が、n型Si基板上にp型Si層が積層された構造を有する。
積層されたp-Si層により、上述した接合部におけるバンド障壁の問題を解決でき、且つ窒化物半導体の結晶性を良好とすることができる。

（９）前記保護素子部と発光素子構造部が１つの共通電極を有する上記（１）乃至（８）記載の半導体素子。
共通電極を有する構成とすることで、例えば図１〜３に示すような素子構造とでき、各素子の電極間の配線が不要となり、高密度での集積が可能で、それにより、上述した発光素子の特性を損なわずに、チップ面内全体での発光が可能な素子とできる。

（１０）上記（９）記載の前記保護素子部のカソード電極とアノード電極との間に、トンネル接合が形成され、該アノード電極が、発光素子部のカソード電極と共通電極である。

（１１）上記（１）乃至（１０）記載の前記発光素子部のカソード電極が、前記保護素子部のｐ型Si層に設けられ、該発光素子部のカソード電極とアノード電極との間に、トンネル接合が形成される。

（１２）上記（１）乃至（１１）記載の前記発光素子部のカソード電極及び／又はアノード電極は、前記保護素子部のカソード電極が形成されたSi基板の主面に対向する基板主面に配置されている。

（１３）上記（１２）記載の前記発光素子構造部のｎ電極が、基板の発光素子構造部形成面側に露出されたｎ型窒化物半導体層に設けられている。

（１４）上記（１）乃至（１３）記載の前記半導体素子が、三端子素子であり、該三端子が、前記発光構造部のｐ，ｎ電極と、前記基板の前記発光素子構造部が設けられた主面に対向する主面に設けられた保護素子部のｎ電極である。

（１６）上記（１）、（１３）、（１５）記載の半導体素子が、二端子素子であり、該二端子が、前記発光構造部のｎ電極と、発光構造部が設けられた基板主面に対向する主面に設けられた保護素子部のｎ電極である。

従来の面内に集積するLED素子に比較して、基板上の電極形成面を除く領域にLED素子部を形成可能な半導体素子とすることができ、LEDとして優れた発光特性を有する素子とできる。即ち、Si基板側にSi半導体の保護素子部を、さらにその基板上に窒化物半導体の発光素子部を重層した積層構造体とすることで、発光素子部の発光を遮らずに、発光特性を損なわずに、発光素子部の保護を可能とする半導体素子とできる。

また、保護素子部と発光素子部との接合部がp-Siとｎ型窒化物半導体であることで、その接合部におけるバンド障壁の問題を解決でき、電荷・電流が接合部を好適に移動することで、各素子の動作機能が向上する。

更に、一方の素子部に、トンネル接合が形成されることで、各素子の特性を好適に引き出すことができる。

以下に本発明の実施形態について説明するが、本発明の技術思想の範囲で、自由に変形可能である。また、図面は図６のＩ−Ｖ特性図を除いて、本発明の一実施形態を模式的に示す図であり、一部誇張などがなされているが、本発明はこれに限定されるものではない。

〔Ｓｉ基板１０〕
Ｓｉ基板１０は、半導体素子の構造、例えば発光素子の例である図１，２に示すように、電極構造により、ｐ型基板10a、n型基板10b、非導電性基板10cと様々な導電性、若しくは部分的な導電性を有する基板を用いることができる。

なお、Ｓｉ基板１０が、その（１１１）面において窒化物半導体層１４０の（０００１）面と接することとすれば、Ｓｉ基板１０若しくはSi層・Si領域１１と窒化物半導体層１４０との間において、格子定数の不一致による転位を最小に抑えることができる。

図１〜３，８において、Si（半導体）層１１をSi基板１０上に設ける場合には、従来知られた方法、例えば有機金属気相成長方法、MOVPEなどによるホモエピタキシャル成長、により形成する。一方で、図１〜３におけるSi（半導体）領域１１、若しくは図４、５におけるSi（半導体）領域１１，１２をSi基板（この場合基板１０は実際の基板の一部領域）に設ける場合には、従来知られた方法、例えば、イオン注入、熱拡散などによるドーパントとなる不純物の注入・拡散ドープ、によりSi基板に設けられる。また、後述するように、Si半導体基板とその基板内の各Si半導体領域１１，１２で、即ち、Si基板で保護素子部を構成する事もできる。

〔Si層・Si領域、Si基板面〕
本発明において、Si/GaN異種接合部、若しくはトンネル接合部として設けられるSi（半導体）層・Si（Si半導体）領域、Si基板面としては、ｐ型または多数キャリアがホールである。このホール濃度を限定するものではないが、このホール濃度は、略１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上略１×１０²¹ｃｍ^-3以下とするのが好ましく、略１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上略２×１０²⁰ｃｍ^-3以下とすればより好ましい。また、このｐ型不純物（ホウ素やアルミニウムなど）の濃度を限定するものではないが、このｐ型不純物（ホウ素やアルミニウムなど）の濃度は、略１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上略１×１０²²ｃｍ^-3以下とするのが好ましく、略１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上略２×１０²¹ｃｍ^-3以下とすればより好ましい。

図１〜４に示すよう半導体素子構造などに示すように、Si半導体層・領域１１は、上述したように基板１０を実際のSi半導体基板の一部領域として、従来知られた方法によりSi半導体領域１１，１２を設けることができ、Si層１１は、従来知られた方法により基板上に設けたSi半導体層とすることができる。

また、実施例に示すように、Si層・領域11は、不純物濃度が異なる２層以上の構成とすることもでき、窒化物半導体の積層構造１４０側に高濃度層を設けることが好ましい。

〔保護素子部〕
本発明において、後述の実施例で示すように、図１，２，４の例においては、基板１０とSi半導体層・領域１１とは異なる導電型、後述実施例では基板１０がｎ型Si基板１０ａであり、Si半導体層・領域１１がｐ型層・領域、で保護素子部を形成する。図３，８の例では、基板１０及びSi半導体層・領域１１と領域１２とは異なる導電型、後述実施例では基板１０がｐ型Si基板１０ｂ、Si半導体層・領域１１がｐ型層・領域であり、Si領域１２は、ｎ型である。本発明は、このような保護素子構造、具体的にはツェナーダイオード構造、に限らず、様々な保護素子、その構造を設けることができる。

図３，８に示すように、電極形成面側の基板面１０の一部領域１２に、基板１０とは異なる導電型の領域を設けること、具体的には、ｐ型Si基板１０ｂにｎ型領域１２を設ける構造、により、図１，２，４、若しくは図３における基板面のほぼ全面に設けられるSi半導体層・領域１１と基板１０とでｐｎ接合構造を形成する場合に比べて、表面電流の発生が少ないため、信頼性の高い保護素子とできる。

このような基板面内の部分領域１２は、基板上の半導体層、例えばSi層１１、窒化物半導体層２１〜２３を設ける前に、従来知られた方法、例えばイオン注入、不純物熱拡散、により設けることができる。しかし、上記Si層１１、窒化物半導体層２１〜２３の形成において、該領域１２の不純物が拡散して、ｐｎ接合部の崩壊など、保護素子の特性を低下させる場合があり、その場合は、領域１２形成時に後に続く半導体層形成工程の不純物拡散を考慮した不純物分布の設計とすること、若しくは、Ｓｉ中の拡散性の低い不純物、例えばＡｌ、を用いること、若しくは半導体積層構造形成後に、Si領域１２を設ける。半導体積層構造形成後にSi領域１２を設ける場合には、従来知られた方法、例えばランプアニール、レーザアニール、など、半導体層側、特に熱分解温度が低いInGaN層、それを用いた活性層など、が領域１２を設ける際の熱などで損傷されないように、基板表面側まで熱せられない部分的な、表面部分の熱処理をする。ここで、領域１２について述べたが、図中の基板１０と半導体層２１〜２３の間に設けられるSi半導体領域１１が、実際のSi基板中に設けられる場合には、領域１２と同様にして形成できる。

本発明において、Si半導体、例えば図中の（Si半導体）基板１０、例えばｎ型基板１０ａ、ｐ型基板１０ｂ、Si（半導体）層・領域１１、Si（半導体）領域１２は、各導電型とするために、不純物がドープされ、ｎ型不純物としては、５B族、具体的にはP，As，Sbが挙げられ、ｐ型不純物としては、３B族、具体的にはB（硼素）、Al、Ga、Tiなどが挙げられ、好ましくはBである。。

窒化物半導体層２１〜２３を成長させる表面を提供する異種接合部２０の表面におけるSi層・領域（基板表面）１１は、窒化物半導体の成長に適した結晶表面を提供するようにすることが好ましい。

〔GaN系半導体と発光素子構造１２０〕
本発明の発光素子部の半導体積層構造１２０は、窒化物半導体を所定の導電型で形成することにより構成することができる。その窒化物半導体材料は、特に限定されないが、具体的には、ＧａＮ、ＡｌＮ、もしくはＩｎＮ、又はこれらの混晶であるＩＩＩ−Ｖ族窒化物半導体（Ｉｎ_αＡｌ_βＧａ_{１−α−β}Ｎ、０≦α、０≦β、α＋β≦１）を用いることができ、またこれに加えて、ＩＩＩ族元素として一部若しくは全部にＢなどを用いたり、Ｖ族元素としてＮの一部をＰ、Ａｓ、Ｓｂなどで置換したりした混晶を利用してもよい。

半導体積層構造、Si半導体層１１が積層される場合、の成長は、ＭＯＶＰＥ（有機金属気相成長法）、熱CVD、ＨＤＶＰＥ（ハライド気相成長法）、ＭＢＥ（分子線気相成長法）、ＭＯＭＢＥ（有機金属分子線気相成長法）等の気相成長装置を用いて、Si層・領域１１上に設けられる。

以下は、図１〜４，８に示す発光素子構造について主に説明する。
（ｎ型窒化物半導体層２１）
ｎ型窒化物半導体層２１は、たとえば、単層でも複数の層でもよいが、結晶欠陥の少ない窒化物半導体層２１を得るために、ＧａＮ又は混晶比ｆが０．２以下のＡｌ_ｆＧａ_１−ｆＮとすることが好ましい。また、ｎ型窒化物半導体層２１の膜厚は、結晶性、特にSi基板上への異種基板成長であるためクラック発生、抵抗値、素子の順方向電圧（Ｖｆ）を考慮して、好ましくは０．１μｍ以上５μｍ以下とすることで、Ｖｆの低い窒化物半導体素子を得ることができる。また０．３μｍ以上１μｍ以下とすることがさらに好ましく、０．３μｍ以上とすることで、ｎ型層２１の結晶性が良く、その上の活性層２２、ｐ型層２３が得られ、また１μｍ以下とすることで窒化物半導体素子構造にクラックが発生しにくくなり、歩留まりが向上する傾向にある。ｎ型層には、ｎ側クラッド層のキャリア閉込めなど様々な素子機能層などの層を設けることで発光素子特性が高くなり好ましいが、その層と基板若しくは層・領域１１との間に、バッファ層、下地層を設けることが好ましく、厚く結晶成長させて好適に結晶性を高めるＧａＮ層を一部、周期構造の一部として下地層を設けることが好ましく、Ｓｉ基板からｎ型窒化物半導体層に最も好適に電子が注入されるようになる。

また、ｎ型層とｐ型層との間に、活性層を設けるダブルへテロ接合の窒化物半導体素子構造を有する場合には、ｎ側クラッド層として、活性層よりもバンドギャップエネルギーの大きい層をｎ型層２２中の活性層側に有することが好ましい。

さらに好ましくはｎ側クラッド層よりもＳｉ基板側の下地層として、ＡｌＮとＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ＜１）とを繰り返し積層した多層膜やを設けると、SiとGaN系半導体との格子定数差、成長工程時の熱膨張係数差などによる応力を緩和することができ、その上の窒化物半導体層を結晶性よく得ることができる。

なお、バッファ層（図示せず）をSi層・領域１１表面、即ちGaN系半導体の成長初期に備えることで、Si/GaN異種間の格子不整合を緩和させて結晶性を良くすることができる。組成として好ましくは、ＡｌａＧａ１−ａＮ（０≦ａ≦１）、より好ましくはＡｌＮを用いる。膜厚としては、好ましくは０．２５ｎｍ以上（１原子層以上）１０ｎｍ未満とする。０．２５ｎｍ以上とすることで、バッファ層として好適に機能し、１０ｎｍ未満とすることで、Ｓｉ基板とｎ型窒化物半導体層との間の電気的特性がバッファ層無しの素子と同等に維持しできる。

これらバッファ層、下地層は、ｐ型層が基板側に設けられる場合には、ｐ型層に設けられる。

本発明におけるｎ型窒化物半導体層２１、特にｐ型Si１１のSi/GaN接合部２０近傍のｎ型層の電子濃度として好ましくは、略２×１０^１８ｃｍ^−３以上略１×１０^２０ｃｍ^−３以下とする。このとき、不純物濃度として、好ましくは略２×１０^１８ｃｍ^−３以上略１×１０^２１ｃｍ^−３以下とする。このようにした場合、ｎ型窒化物半導体層２１、特にｐ型Si１１のSi/GaN接合部２０近傍において多数の電子が発生し、ｎ型窒化物半導体層２１の能動領域のフェルミ準位が伝導帯中に存在するものと考えられる。また、Si層・領域１１の能動領域と窒化物半導体層２１の能動領域との間における空乏層が薄くなるものと考えられる。その結果、より多数の電子が、Si層・領域１１の価電子帯からｎ型窒化物半導体層２１の伝導帯に注入されることとなり、順方向電圧（Ｖｆ）をより低くすることが可能になるものと考えられる。

（活性層２２）
活性層２２には、単一量子井戸構造や多重量子井戸構造を用いることができ、Ｉｎ及びＧａを含有する窒化物半導体、好ましくは、Ｉｎ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ＜１）で形成される。多重量子井戸構造を用いる場合には、活性層５が障壁層および井戸層を有することとなるが、障壁層は例えばアンドープＧａＮとし、井戸層は例えばアンドープＩｎ_０．３５Ｇａ_０．６５Ｎとすることができる。また、活性層全体の膜厚はとくに限定されるものではなく、発光波長等を考慮して、障壁層及び井戸層の各積層数や積層順を調整し活性層の各膜厚を設定することができる。

（ｐ型窒化物半導体層２３）
ｐ型窒化物半導体層２３は、単層でも複数の層でもよいが、ｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層との間に、活性層を設けるダブルへテロ接合の窒化物半導体素子構造を有する場合には、ｐ側クラッド層として、活性層よりもバンドギャップエネルギーの大きいｐ型層が少なくともあればよく、機能的に説明するとｎ型窒化物半導体層側からの電子のオーバーフローを防ぎ、活性層での発光再結合の確率を高める層が少なくともあればよい。
また好ましくは、Ｓｉ基板１０側から順に、ｐ型クラッド層（図示せず）と正電極が形成されるｐ型コンタクト層（図示せず）とを有する。

ｐ型クラッド層は、多層膜構造（超格子構造）または単一膜構造である。ｐ型クラッド層を超格子構造とすると、結晶性を良くでき、抵抗率を低くできるので、順方向電圧（Ｖｆ）を低くすることができる。ｐ型クラッド層にドープされるｐ型不純物としては、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｃａ、Ｂｅ等の周期律表第ＩＩＡ族、ＩＩＢ族元素を選択し、好ましくはＭｇ、Ｃａ等をｐ型不純物とする。また、ｐ型不純物ドープのｐ型クラッド層が、ｐ型不純物を含むＡｌ_ｔＧａ_１−ｔＮ（０≦ｔ≦１）よりなる単一層からなる場合は、やや発光出力が低下するが、静電耐圧は超格子の場合とほぼ同等の良好なものにできる。

ｐ型コンタクト層は、組成として好ましくは３元混晶の窒化物半導体、より好ましくはＩｎ、Ａｌを含まない二元混晶のＧａＮからなる窒化物半導体とする。更にｐ型コンタクト層をＩｎ、Ａｌを含まない２元混晶とすると、正電極とのオーミック接触をより良好にでき、発光効率を向上させることができる。ｐ型コンタクト層のｐ型不純物としては、ｐ型クラッド層と同様の種々のｐ型不純物を用いることができるが、好ましくはＭｇとする。ｐ型コンタクト層にドープするｐ型不純物をＭｇとすると、窒化物半導体層としてのｐ型特性が容易に得られ、またオーミック接触を容易に形成することができる。

［半導体素子（発光素子部と保護素子部と）の接合部と電極構造］
図６は、本発明の接合部２０を理解するために、Si基板上にｎ型層、活性層、ｐ型層の窒化物系半導体発光素子を設けて、基板をｐ型Si基板、n型Si基板として作製した素子のVfを測定する実験である。ｐ型Ｓｉ基板、すなわちp-Si基板／ｎ型GaN系半導体層／活性層／p型GaN系半導体層の積層構造、におけるＶｆと、従来の窒化物系半導体素子（ｎ型Ｓｉ基板、すなわちn-Si基板／ｎ型GaN系半導体層／活性層／p型GaN系半導体層の積層構造）におけるＶｆと、を比較する図である。この実験でのＬＥＤチップサイズは、１００μｍ×１００μｍであり、現在一般的なＬＥＤ（□300μm）の面積の約１０分の１のサイズとなっている。

電流を５ｍＡ（５０Ａ／ｃｍ^２）として実験し、Ｖｆを比較したところ、図６に示すように、従来の窒化物系半導体素子（ｎ型Ｓｉ基板）のＶｆが５．１Ｖであるのに対し、本発明の一態様に係る窒化物系半導体素子（ｐ型Ｓｉ基板）のＶｆは、４．０Ｖとなった。したがって、本実験に限って言えば、本発明の一態様のｐ型Si基板においてＶｆが１．１Ｖ改善され、すなわち一部構成に係るp型Si／GaNの異種接合を有する素子において、異種接合部においてVfが低減することがわかる。

また、図６に示すように、立ち上がり電圧は、本発明の一態様に係るｐ型Si基板の窒化物系半導体素子で３．２Ｖ、従来の窒化物系半導体素子で４．２Ｖ、となった。したがって、本実験に限って言えば、本発明の一態様のｐ型Si基板においてＶｆが１Ｖ改善され、すなわち一部構成に係るp型Si／GaNの異種接合を有する素子において、異種接合部においてVfが低減することがわかる。

このように、本実験によれば、従来よりＶｆの低い窒化物半導体素子が得られる。また、窒化物半導体層とSi層・領域１１との接合部ではＩ−Ｖ特性が略線形となり、良好なオーミック特性が得られていると考えられる。なお、ここで「略線形」とは、Ｉ−Ｖ特性が厳密に線形である場合はもちろんのこと、厳密に線形でない場合も含むという意味である。

本発明の半導体素子構造としては、図１〜４，８に示すように、Si半導体、Si基板を有する保護素子部１１０と、窒化物半導体の積層構造を有する発光素子部１２０が縦方向に積層された構造体となっている。ここで、発光素子構造部は、少なくともｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層が順に若しくは逆順に積層された構造であり、具体的にはｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層との間に窒化物半導体の活性層を備えた構造であり、Si基板の上に設けられる。一方、保護素子部は、Si基板を有し、Si層・Si領域１１、若しくは該Si層・領域１１とSi領域１２とを有する構造であり、具体的には、基板上の層若しくは基板表面側に設けられた領域１１と基板１０（図１，２，４）、該Si層・領域１１及び／又は基板１０と領域１２（図３，８）、でｐｎ接合が形成され、保護素子部が形成される。保護素子部の一方の導電型領域である該Si層・領域１１は、図１〜４，８に示すように、発光素子構造部が設けられる基板面のほぼ全面に設けることで、発光素子構造部の面内成長の均一性において好ましい。他方、能動領域を基板面の一部で設けて、該能動領域として、基板の発光素子部側表面の一部にSi層・領域１１を設けることもできる。

＜半導体素子の実施形態１（図１）＞
図１に示す実施形態１について説明すると、Si基板１０をｎ型として、基板電極（ｎ電極）１５を設けて、この電極形成面に対向する基板主面側に、Si層・領域１１を設け、その上に、窒化物半導体の発光素子構造部が設けられ、発光素子構造部のｐ型層（図では積層部１２０表面）と、ｎ型層（図では一部露出されたｎ型層露出面）とにそれぞれｐ、ｎ電極が設けられている。ここで、ｎ電極は、保護素子部のｐ電極（アノード電極）との共通電極で形成されている。このとき、図では共通電極を積層構造体１３０の一部露出された１つの電極形成面に設けているが、発光素子部と保護素子部の一方の電極、すなわち、接合部２０近傍に配置される電極を、それぞれ別々に設けても良い。具体的には、図１（実施例１）において、発光素子部のｎ電極２５に加えて、Si層・領域１１を一部露出させて、そこに保護素子部のｐ電極を設けて、これらｎ電極２５とｐ電極とを互いに接続する配線（電極で兼ねることも可能）を設ける構造とすることができる。しかし、このように各素子部に別個の電極を設ける場合には、配線構造が必要であり、該構造を積層構造体１３０中に設けると、発光領域、具体的には活性層の領域、ｐｎ接合面、のチップ、Si基板に占める面積が小さくなるが、本発明の異種接合界面２０でのトンネル接合が不要となりVf低下が期待できる。

発光素子部の共通電極２５の形成位置は、図１、図２A，Bに示すように、様々な形態が可能である。図１では、発光素子部の一方の導電型領域（ここでは、ｎ型層）に共通電極を設けることで、異種接合部２０は該電極２５より基板側、すなわち保護素子部１１０に設けられ、この接合部２０、すなわち保護素子部駆動時でトンネル接合となる。

＜半導体素子の実施形態２（図２）＞
図２の実施形態２では、保護素子部のSi層・領域１１に共通電極（ここでは発光素子部のｎ電極と保護素子部のｐ電極を兼用）を設けており、異種接合部２０のほぼ界面で設けた例（図２A）と、所望の深さで露出された面に設けた例（図２B）である。図１の形態に比して、異種接合部２０が発光素子部側に設けられており、発光素子部への電流注入において、トンネル接合で供給される構造となっている。

両者を比較すると、共通電極２５が、発光素子部に設けられている構造の実施形態１（図１）では、発光素子部１２０への電流注入、特に大電流注入が好適になされ、電気特性・発光特性に優れる傾向にある。他方、実施形態２（図２）では、共通電極２５が設けられる領域の発光素子部の窒化物半導体層２１が除去されているため、形態１では電極２５下の窒化物半導体層内で、横方向に光伝搬して電極、Si基板により損失する傾向にあるが、この領域の窒化物半導体層が除去されているため、好適な光取り出し、発光特性に優れる発光素子部となる。

図２Aの接合部２０界面に共通電極２５が形成された場合には、異種材料間のエッチングレートの違いにより、異種材料界面の接合部２０で精度良く露出面の形成が製造上可能であり、このため、製造ばらつき、素子特性のばらつきが少なく、量産性に優れた構造とできる。他方、図２Bの露出面に共通電極を設ける場合には、接合部２０近傍は、高濃度で不純物がドープされ、結晶性が他の領域より悪くなること、多数キャリアのホールとにより、電荷の横方向への移動が妨げられ易い傾向にあり、それを避けて設けられた共通電極により、発光素子部への電荷（図２Aの例では電子）の注入が好適なものとできる。

＜半導体素子の実施形態３（図３）＞
図３の実施形態３では、実施形態１，２（図１、２）に比して、保護素子部１１０、特に基板の構造が異なり、基板の電極形成面側の面内に部分的にSi領域１２を設けて、該領域内に基板電極１５（ここではｎ電極）が設けられた構造である。還元すれば、図１，２に比して、図１、２の形態では異種接合部２０と保護素子部のｐｎ接合は、同じ若しくは同一導電型のSi層・領域１１のそれぞれ発光素子部側と基板側に設けられている構造に対し、図３の形態では異種接合部２０を構成するSi層・領域１１と、保護素子部のｐｎ接合部（基板と領域１２の接合部）と、が別々に設けられた構造となっている。このような基板面に対して部分的なｐｎ接合領域は、図１，２の形態と異なり、表面電流の発生が抑えられ、好適な保護機能を発揮することができる。図３Aと３Bとの相違点は、上記図１、２Aの相違点と同様である。

＜半導体素子の実施形態４（図４）＞
図４の実施形態４は、実施形態１〜３（図１〜３）に比して、保護素子部と発光素子部とを逆並列に接続する際に、その接続の一方を半導体素子構造中に設けた構造を有している。図４に示すように、発光素子部の一方の電極（ここではｐ電極の上に設けられたパッド電極２７）と、基板の発光素子部側に露出され設けられた電極形成面の電極とを、図４Bに示すように、配線４０により接続している。このように半導体素子構造内で、逆並列の一方の接続を担うことで、基板電極を実装面側とすれば、実装面での接続と、発光素子部の電極へのワイヤー接続により、駆動可能な半導体素子とでき、１本ワイヤーの実装・駆動が可能となり、ワイヤー本数を減らせ、半導体素子が搭載された発光装置において、封止部材の熱膨張などが原因で発生するワイヤー切断不良を減らすことができる。また、配線部で発光素子部が覆われることによる遮光作用で、光取り出し効率が減少することが考えられるが、他方発光素子部の電極へのワイヤー接続では、φ５０〜１００μｍのボンディング領域（パッド電極）を必要とし、これによる遮光がある。一方で実施形態４の例では、パッド電極２７（電極２６）は配線４０の接続であるので、ワイヤー接続の場合よりも、小さい面積で形成可能であり、光取り出し効率の大幅な減少にならない傾向にある。

このような実施形態４の構造は、他の配線構造とすることもでき、例えば、電極１５，１６間はSi基板を介しているが、適当なビアホール、若しくは素子側面の配線により基板電極１５と発光素子構造部の電極２６とを接続する形態とできる。しかし、図４の形態に比して、複雑な製造工程、制度の高い加工が要求されるため、歩留りが低下する傾向にある。

＜半導体素子の実施形態５（図８）＞
図８の実施形態５では、実施形態３（図３A）に比して、保護素子部１１０、特に基板の構造が異なり、基板の電極形成面側の面内に部分的にSi領域１２を設けて、該領域内に２以上の基板電極１５’（ここではｎ電極）が設けられた構造であり、保護素子部内において複数の保護回路が並列接続されている。実施形態３と同様に、表面電流の発生が抑えられ、好適な保護機能を発揮することに加え、保護素子部と基板電極との間での静電耐圧が向上する。換言すれば、２以上の基板電極のうち、いずれか１つの基板電極と保護素子部との間で絶縁破壊が発生しても、他の基板電極が導通されているので、素子として機能し続けることができる。この２以上の基板電極１５’は、図８に示すように、Si領域１２内において、絶縁性膜１７に囲まれて配置されることが好ましい。絶縁性膜を設ける場合は、図８のように絶縁性膜１７を形成した後に基板電極１５’を形成することが好ましく、具体的方法としては、まず先に絶縁性膜１７を形成して複数の領域にSi基板を露出させ、その露出した領域にイオン注入でSi領域１２を、さらに基板電極１５’を形成する方法が好ましい。その他、Si領域１２と基板電極１５’を先に形成し、続いて絶縁性膜１７を、基板電極１５’を囲むように形成する方法をとることもできる。

また、２以上の基板電極１５’を保護素子部に設けた半導体素子は、製造工程においても優れた効果を奏する。Si基板は、可視域において不透明なため、Siウエハ上に窒化物半導体層を積層し、発光素子構造部のｐ型層にｐ電極を、さらにｎ型層もしくはSi基板の発光素子構造部側に共通電極を形成するが、これらの電極に対向した、引いては半導体素子の外形より内側の、基板表面の位置に、基板電極を形成しようとしても、Si基板が可視領域において不透明なため、位置合わせ（アラインメント）が困難となる。またSiウエハの全面に基板電極を形成する方法も考えられるが、この場合ウエハから半導体素子に素子化する際に、基板電極の材料が周辺に飛散しＰＮ接合部の短絡等の不具合を招くことがあり好ましくない。そこで、ウエハにおいて、素子化されて半導体素子となる１つの単位でその素子の外形より内側に少なくとも２つの基板電極が位置するように形成すれば、短絡が発生しにくい半導体素子が、歩留まりも高く得ることができる。特に素子化の際に、基板電極がない領域、ひいては絶縁性膜がある領域で切断された素子が、好ましい半導体素子となる。また例えば、基板電極は、配置については碁盤目状に複数個を配置し、各基板電極の形状については円形にする。
このような基板電極を複数有する半導体素子は、図８にあるように、その他の構造においては実施形態３（特に図３A）と同様な形態で説明したが、これに限るものではなく、実施形態１，２および４についても適用できることはいうまでもない。

以上説明したように、本発明の発光素子部は、基板の一方の主面側に形成され、該形成面側を光取り出し面側とした構造となっており、発光素子部及び基板の該発光素子部形成側に用いられる電極は、光取り出し効率を高めるため、透光性の電極を用いることが好ましく、特に、発光素子部の積層構造の上面側に設けられる電極は少なくとも透光性電極とすることが好ましい。

図１、図４A及び図８には、実施形態１，４，５の半導体素子構造をわかりやすく説明するための等価回路図が右上に挿入されているが、厳密な等価回路と限定されるものではない。この等価回路図からわかるように、図１，図８、引いては実施形態１〜３，５においては、逆並列接続回路の一方は半導体素子構造の外部で配線２００が設けられる必要があるが、図４の実施形態４では、発光素子構造でその配線４０が成された２端子素子となっている。もう一方の端子は、図からわかるように、発光素子部と保護素子部との間から取り出された上記共通電極２５であり、逆並列接続の他方が重層型の積層体、すなわち積層界面の異種接合部２０で接続された構造となっている。

〔実施例１〕
２inchφのn-Si基板10（キャリア濃度１×１０^１８／cm³、Sbドープ）を用意し、MOCVD法などにより、以下の層を成長させる。

膜厚９μｍ、Bドープ（不純物濃度１×１０^１８／cm³）のp型Si半導体（第1層）と、その上に膜厚０．５μｍ、Bドープ（不純物濃度５×１０^１９／cm³）のp型Si半導体（第２層）を積層して、p型Si半導体層（第1，2層）／n-Si基板の構造を有する保護素子部を形成し、更にp型Si半導体層の上に、発光素子部として、以下の積層構造を形成する。

SiドープGaNのｎ型層21（コンタクト層）、InGaN/GaNの複数ペア積層した多重量子井戸構造の活性層22、MgドープGaNのp型層23（コンタクト層）などを積層する。ここで、ｎ型層とｐ型層の各コンタクト層と活性層の間（n型層内、p型層内）にクラッド層、介在層などを設けても良い。また、上述したように、Si基板と窒化物半導体と、特に活性層と、の間で、下地層、介在層を設けることができる。

図１に示すように、Si基板10（n型Si基板10a）上に保護素子部110の一部となるp型Si層11、GaN系半導体の発光素子部120となるｎ型層、活性層、ｐ型層を積層した構造が形成された積層構造体130が得られる。

続いて、基板10の積層構造側で、発光素子部120のn型層の一部が露出するようにｎ型層の一部を残す深さでエッチングにより除去して、その露出面を発光素子部120の負電極25形成面とする。ｐ型層23表面とｎ型層21露出面にそれぞれ正電極26（透光性電極、例えばITO）、負電極25（例えばW/Pt/Au）を形成する。更に、Si基板裏面（発光素子部の形成側の基板面に対向する面）に、Si基板の負電極15（例えばW/Al）を形成して、半導体素子100が得られる。図示しないが正電極２６の上にワイヤーボンディング用のパッド電極（例えばCr/Au）を設ける。

ここで、ｐ型窒化物半導体層用の電極の材料としては、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｗ、Ｌａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｙよりなる群から選択された少なくとも一種を含む金属、合金、積層構造、さらには、それらの化合物、例えば、導電性の酸化物などがあり、導電性の金属酸化物（酸化物半導体）としては、錫をドーピングした厚さ５ｎｍ〜１０μｍの酸化インジウム（Indium Tin Oxide ;ITO）、ＺｎＯ、Ｉｎ_２Ｏ_３、またはＳｎＯ_２、若しくはそれらにＧａなどの窒化物半導体のIII族元素などをドーピングしたものなどが挙げられ、透光性を有する電極として好適に用いられる。酸化物半導体材料の場合には、各導電型層２１，２３とその電極２５、２６との中間的な機能を有する形態となり、導電型層２１，２３と金属酸化物の導電性を同じとしてもよく、異なる導電型の酸化物半導体層を電極とする場合には、発光素子素子構造１２０との間に何らかの介在層（逆導電型層、酸化物半導体、金属層）を更に介して使用してもよく、また電流拡散導体として機能することからも、第１導電型領域２１側の拡散導体として、このような半導体層、電極材料を用いても良い。また、ｎ型層（第１導電型領域）２１にも正電極と同様に透光性の電極材料を用いることができる。

ここで、発光素子部120の負電極25は、保護素子部110の正電極を兼ねる共通電極となり、この共通電極25と発光素子部120の正電極26、保護素子部110の負電極15の三端子で構成された発光素子部と保護素子部とを有する半導体素子である。この半導体素子100は、図１中の等価回路図に示すように、素子外部において、保護素子部110と発光素子部120とが逆並列となるように接続され、駆動させる。

〔実施例２〕
実施例１において、ｎ型Si基板を用意して、基板表面から熱拡散により不純物をドープしてｐ型Si領域１１を形成し、ｎ型基板領域１０とで保護素子部１１０とする他は、実施例１と同様にして図２Aに示す半導体素子を形成する。図示していないが、窒化物半導体層１４０表面側に、短絡防止（絶縁構造形成）、表面保護のために、透光性の絶縁膜、例えばSiO₂、を電極から露出された領域に形成しても良い。ここで、発光素子部120の負電極25は、保護素子部110の正電極を兼ねる共通電極となるが、実施例1と異なり、保護素子部のｐ型Si領域１１に形成されており、トンネル接合部２０はSi領域11とｎ型窒化物半導体層21との間に設けられている。その他は、実施例１と同様に逆並列で接続して駆動可能な三端子素子となる。

本発明の半導体素子は、保護素子部と発光素子部を有する構造について説明したが、発光素子部をｎ型窒化物半導体層とｐ型窒化物半導体層を少なくとも積層した受光素子部など置換することも適用可能である。その他に、本発明の保護素子部と発光素子部とを有して、附加的に前述の従来技術（例えば特許文献１、その類似文献）に観られるように、Si基板面の発光素子部とは別の領域に別のSi半導体素子などを集積した回路構造を設けた集積素子とすることもできる。また、その別素子として、Si基板上に窒化物半導体を用いた電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：ＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）なども形成可能であり、窒化物半導体素子で別素子を設けて集積素子の一部を構成することもできる。

本発明の一実施形態に係る半導体素子の模式断面図及びそれにほぼ等価な回路図（右上挿入図）。本発明の一実施形態に係る半導体素子の模式断面図。本発明の一実施形態（図２Ａの別の形態）に係る半導体素子の模式断面図。本発明の一実施形態に係る半導体素子の模式断面図。本発明の一実施形態（図３Ａの別の形態）に係る半導体素子の模式断面図。本発明の一実施形態に係る半導体素子の模式断面図及びほぼ等価な回路図（右上挿入図）。本発明の一実施形態に係る半導体素子（図４A）の模式平面図。本発明の一実施形態に係る半導体素子の一部について「Si/GaN接合部近傍におけるSi・窒化物ともに非縮退」のエネルギーバンド構造を示す模式図本発明の一実施形態に係る半導体素子の一部について「Si/GaN接合部近傍におけるSiのみ縮退」のエネルギーバンド構造を示す模式図本発明の一実施形態に係る半導体素子の一部について「Si/GaN接合部近傍における窒化物のみ縮退」のエネルギーバンド構造を示す模式図本発明の一実施形態に係る半導体素子の一部について「Si/GaN接合部近傍におけるSi・窒化物ともに縮退」のエネルギーバンド構造を示す模式図本発明の一実施形態に係る半導体素子の一部について「Si/GaN接合部近傍における順方向印可（LED駆動）時」のエネルギーバンド構造を示す模式図本発明の一実施形態に係る実験例の電流−電圧特性を示す図。本発明に係るSi/GaN異種接合部のエネルギーバンド構造を示す模式図。本発明の一実施形態に係る半導体素子の模式断面図及びほぼ等価な回路図（右上挿入図）。

符号の説明

10…Si基板｛10a…n-Si基板，10b…p-Si基板｝、11…p-Si層(領域)、12…n-Si領域、15…n電極（［Si系半導体］保護素子）、16…第2のn電極（［Si系半導体］保護素子）、17…絶縁性膜
20…pn接合部｛20a…pn接合部(保護素子側、Si系半導体側)、20b…pn接合部(発光素子側、窒化物系半導体側)｝
21…n型層（ｎ型窒化物半導体層）、22…活性層(GaN系半導体)、23…p型層（ｐ型窒化物半導体層）
25…n電極（発光素子部）とp電極（保護素子）の共通電極、26…p電極（発光素子部）、27…pパッド電極（発光素子部）
30…絶縁膜、40…配線部、
100…半導体素子、110…保護素子部(Si系半導体素子)、120…発光素子部(窒化物系半導体素子)、130…積層構造体、200…素子100の外部回路（配線）

Claims

Si基板を有するSi半導体の保護素子部と、該基板上に、窒化物半導体層が積層された発光素子構造部と、を有し、該保護素子部と発光素子構造部の接合部が、p型Si半導体とn型窒化物半導体層とで形成されている半導体素子。
n型Si基板上に、ｐ型Si層を有する保護素子部と、該ｐ型Si層の上に、ｎ型窒化物半導体層、ｐ型窒化物半導体層を積層した発光素子構造部と、を有する素子。
Si基板を有するSi半導体の保護素子部と、該基板上に、窒化物半導体層が積層された発光素子構造部と、を有し、前記保護素子部又は前記発光素子構造部内で、トンネル接合が形成されている半導体素子。
Si基板を有するSi半導体の保護素子部と、該基板上に、窒化物半導体層が積層された発光素子構造部と、を有し、前記保護素子部が、前記発光素子部の窒化物半導体層と、Si半導体とにそれぞれ一対の電極が設けられた保護素子である半導体素子。
前記保護素子部がSi基板上にSi層を積層して形成され、発光素子部が前記保護素子部上に積層され、各素子部が重層された積層構造体である請求項１乃至４記載の半導体素子。
前記保護素子部が、p型Si基板内にn型領域を有する請求項１乃至５記載の半導体素子。
前記保護素子部が、n型Si基板上にp型Si層を設けた構造を有する請求項１乃至５記載の半導体素子。
前記保護素子部が、n型Si基板上にp型Si層が積層された構造を有する請求項７記載の半導体素子。
前記保護素子部と発光素子構造部が１つの共通電極を有する請求項１乃至８記載の半導体素子。
前記保護素子部のカソード電極とアノード電極との間に、トンネル接合が形成され、該アノード電極が、発光素子部のカソード電極と共通電極である請求項９記載の半導体素子。
前記発光素子部のカソード電極が、前記保護素子部のｐ型Si層に設けられ、該発光素子部のカソード電極とアノード電極との間に、トンネル接合が形成される請求項１乃至１０記載の半導体素子。
前記発光素子部のカソード電極及び／又はアノード電極は、前記保護素子部のカソード電極が形成されたSi基板の主面に対向する基板主面に配置されている請求項１乃至１１記載の半導体素子。
前記発光素子構造部のｎ電極が、基板の発光素子構造部形成面側に露出されたｎ型窒化物半導体層に設けられている請求項１２記載の半導体素子。
前記半導体素子が、三端子素子であり、該三端子が、前記発光構造部のｐ，ｎ電極と、前記基板の前記発光素子構造部が設けられた主面に対向する主面に設けられた保護素子部のｎ電極である請求項１乃至１３記載の半導体素子。
前記半導体素子が、前記基板の前記発光素子構造部が設けられた主面に設けられたｎ電極と発光構造部のｐ電極とが接続されるように半導体素子に配線が設けられた内部回路を有する請求項１乃至１３記載の半導体素子。
前記半導体素子が、二端子素子であり、該二端子が、前記発光構造部のｎ電極と、発光構造部が設けられた基板主面に対向する主面に設けられた保護素子部のｎ電極である請求項１乃至１３、１５記載の半導体素子。