JP3557571B2

JP3557571B2 - Light-emitting element laminated structure, light-emitting element, lamp and light source

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Publication number: JP3557571B2
Application number: JP2001233428A
Authority: JP
Inventors: 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 2001-08-01
Filing date: 2001-08-01
Publication date: 2004-08-25
Anticipated expiration: 2021-08-01
Also published as: JP2003046120A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガリウム（Ｇａ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）からなる発光層と、硼素（Ｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）からなる障壁層とを備えた発光素子用積層構造体と、その積層構造体から発光素子、ランプ及び光源を構成するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ガリウム（Ｇａ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を発光層として備えた発光素子として、例えば、リン化ガリウム（ＧａＰ）を発光層とした緑色帯の発光ダイオード（ＬＥＤ）が知られている（寺本巖著、「半導体デバイス概論」（（株）培風館、１９９５年３月３０日発行初版、１１８〜１２１頁参照）。また、別の従来例として、砒化リン化ガリウム（ＧａＡｓ_１−ＸＰ_Ｘ：０≦Ｘ≦１）黄色帯ＬＥＤが知られている（上記の「半導体デバイス概論」、１１４〜１１６頁参照）。これら実用に至っている含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を発光層とする発光素子は、何れも、ｐｎ接合型単一（ｈｏｍｏ）接合構造の発光部を備えた積層構造体から構成されているのが通例である。
【０００３】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の一種であるリン化硼素（ＢＰ）は、イオン結合度が０．００６と低く（フィリップス著、「半導体結合論」（（株）吉岡書店、１９８５年７月２５日発行、第３刷）、４９〜５１頁参照）、特に、ｐ形伝導性の半導体層を得られ易い特徴を有している。この様なリン化硼素（ＢＰ）の特徴は、例えば、ｐｎ接合構造を簡便に構成するに優位に作用する。このため、従来から、リン化硼素系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備えた積層構造体から発光ダイオード（ＬＥＤ）或いはレーザダイオード（ＬＤ）等の発光素子を構成する技術が開示されている（特開平２−２８８３８８号公報参照）。従来において、リン化硼素系半導体層を含む積層構造体は、例えば、リン化ガリウム（ＧａＰ）及び窒化ガリウム（ＧａＮ）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶を基板として構成されている（▲１▼特開平２−２７５６８２号／日本国特許第２８０９６９０号、及び▲２▼特開平１０−２４７７４５号各公報参照）。また、別の基板材料として珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）が知られている（米国特許６，０６９，０２１号参照）。また、炭化珪素（ＳｉＣ）も基板材料として用いられている（上記の特許第２８０９６９０号参照）。
【０００４】
従来において、リン化硼素系半導体層は様々な機能層として利用されている。例えば、特開平１０−２４２５６９号に記載の発明には、リン化硼素層を電流阻止層として備えた電流狭窄型の緑色レーザダイオード（ＬＤ）が開示されている。また、リン化硼素層をオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極を形成するためのコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層として積層構造体に具備させる公知例もある（特開平１０−２４２５６８号公報参照）。また、リン化硼素層を緩衝層として備えたＬＥＤも公知となっている（特開平１０−２４２５１４号公報参照）。特に、基板材料と積層構造体構成層との格子ミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）をより良く緩和するために、比較的に低温で形成した、所謂、低温緩衝層をリン化硼素系半導体層から構成する例が知られている（上記の米国特許６，０６９，０２１号参照）。例えば、シリコン（Ｓｉ）やリン化ガリウム（ＧａＰ）単結晶基板上に、リン化硼素・ガリウム（Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ：０≦Ｘ≦１）或いはリン化硼素・インジウム（Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ：０≦Ｘ≦１）から緩衝層を構成する技術が開示されている（特開平１１−２６６００６号公報参照）。
【０００５】
一方、従来より、リン化硼素（ＢＰ）の室温での禁止帯幅は、約２ｅＶであるとされている（▲１▼ＲＣＡＲｅｖｉｅｗ，２５（１９６４）、１５９〜１６７頁、▲２▼Ｚ．ａｎｏｒｇ．ａｌｌｇ．ｃｈｅｍ．，３４９（１９６７）、１５１〜１５７頁、及び▲３▼上記の「半導体デバイス概論」、２８頁参照）。約２ｅＶと低い禁止帯幅のリン化硼素を基材として、より高い禁止帯幅のＢＰ系混晶を形成する技術も開示されている。例えば、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）の窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ｇａ_０．５Ａｌ_０．５Ｎ）薄層（層厚＝１ｎｍ）とリン化硼素薄層（層厚＝１ｎｍ）との超格子構造から２．７ｅＶの禁止帯幅が得られている（上記の特開平１０−２４７７４５号参照）。また、例えば、Ｇａ_０．２５Ａｌ_０．２５Ｂ_０．５０Ｎ_０．６０Ｐ_０．４０５元混晶として禁止帯幅を２．７ｅＶとする半導体層を得ている（特開平２−２８８３７１号公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を発光層とするＬＥＤにあって、発光部を従来の単一（ＳＨ）構造ではなく二重（ＤＨ）構造とすれば、「光の閉じ込め」効果或いは「キャリア（担体）の閉じ込め」効果により、発光強度が増大され、高輝度のＬＥＤの実現が期待される（上記の「半導体デバイス概論」、１２４〜１２６頁参照）。例えば、上記の従来手段に依り禁止帯幅を高めたＧａＡｌＢＮＰ５元混晶を障壁層として発光層に接合させてＤＨ構造の発光部を構成する手段も勘案される。しかしながら、構成元素の組成が安定している５元混晶等の多元混晶の構成元素の組成を安定に維持することは困難であるのは周知である（上記の「半導体デバイス概論」、２４頁参照）。
【０００７】
また、禁止帯幅を約２ｅＶとするリン化硼素を基材としてより高い禁止帯幅の半導体層を得ようとする従来技術では、数ｎｍ程度の極薄膜を周期的に交互に積層させて超格子構造としなければならず、極薄膜の層厚並びに組成を安定して制御するために煩雑で冗長な成膜操作を要求される。また、超格子構造を形成するための特殊な成膜装置も要求されている（上記の特開平２−２８８３７１号参照）。
【０００８】
最近では、従来の成長操作の煩雑性を回避できる簡便な気相成長手段に依り、室温で従来に無く高い禁止帯幅のリン化硼素（ＢＰ）を得る技術が開発されている。また、室温で高い禁止帯幅を有するリン化硼素或いはそれを基材として構成される混晶を障壁（ｃｌａｄ）層として利用して、砒化リン化ガリウム（ＧａＡｓ_１−ＸＰ_Ｘ：０≦Ｘ≦１）発光層とのヘテロ接合構造を構成する技術が提案されている。
【０００９】
しかし、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層と含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光層とのヘテロ接合を構成する技術にあっても、より高い発光強度の発光をもたらすに足る結晶性に優れる含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光層を得るための接合構成が求められていた。即ち、発光強度の高い例えば、ＧａＡｓ_１−ＸＰ_Ｘ系発光素子をもたらすに好適となる障壁（ｃｌａｄ）層を含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成する技術の更なる改良が要求されていた。
【００１０】
本発明は上記の従来技術の問題点を克服すべくなされたもので、良質の含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる発光層を安定して与えられる含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の構成を提示すると共に、その構成からなる含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を備えた発光素子用積層構造体、発光素子、ランプ、及び光源を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、単結晶の基板と、基板上に積層された緩衝層と、緩衝層上に積層された硼素（Ｂ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）からなる障壁層と、ガリウム（Ｇａ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体）からなる発光層とを備えている発光素子用積層構造体を提供するものであって、特に、次の（１）乃至（６）項に記載の特徴を有する発光素子用積層構造体を提供する。
（１）障壁層を、上記の緩衝層に対向する表面で緩衝層に格子整合する硼素（Ｂ）組成比を有し、上記の発光層に対向する表面で発光層に格子整合する硼素（Ｂ）組成比を有する、層厚の増加方向に硼素（Ｂ）組成比に勾配を付した含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる組成勾配層から構成したことを特徴とする発光素子用積層構造体。
（２）含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層を、発光層に対向する障壁層の表面を構成する含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体と同一の材料から構成したことを特徴とする前記（１）に記載の発光素子用積層構造体。
（３）発光層を、砒化リン化硼素・ガリウム（Ｂ_ＹＧａ_１−ＹＡｓ_１−ＺＰ_Ｚ：０≦Ｙ＜１、０＜Ｚ≦１）から構成したことを特徴とする前記（１）または（２）に記載の発光素子用積層構造体。
（４）含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層を、基板を構成する単結晶材料に格子整合する組成を有する含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成した緩衝層上に設けたことを特徴とする前記（１）乃至（３）の何れか１項に記載の発光素子用積層構造体。
（５）単結晶基板を珪素単結晶（シリコン）とし、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる障壁層を、リン化硼素・ガリウム（Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ：０＜Ｘ≦１）から構成したことを特徴とする前記（１）乃至（４）の何れか１項に記載の発光素子用積層構造体。
（６）単結晶基板を珪素単結晶（シリコン）とし、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる障壁層を、リン化硼素・インジウム（Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ：０＜Ｘ≦１）から構成したことを特徴とする前記（１）乃至（４）の何れか１項に記載の発光素子用積層構造体。
【００１２】
また本発明は、上記の積層構造体を利用した、
（７）前記（１）乃至（６）の何れか１項に記載の発光素子用積層構造体を用いて構成したことを特徴とする発光素子。
（８）同一の単結晶基板上に、発光素子と当該発光素子からの発光の強度を制御するための電子部品を備えていることを特徴とする前記（７）に記載の発光素子。
（９）電子部品を、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層上に設けていることを特徴とする（８）に記載の発光素子、
を提供する。さらに本発明は、
（１０）前記（７）乃至（９）の何れか１項に記載の発光素子から構成したことを特徴とするランプ。
（１１）前記（１０）に記載のランプを用いて構成したことを特徴とする光源。を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に掲示する積層構造体１Ａの断面模式図を例にして、本発明に係わる第１の実施形態を説明する。第１の実施形態に係わる積層構造体１Ａは、例えば、｛１００｝、｛１１０｝或いは｛１１１｝結晶面を主面とするｎ形またはｐ形シリコンを基板１０１として構成する。主面より特定の結晶方位に向けて傾斜した表面を有するシリコンも基板１０１として利用できる。例えば、［１１０］結晶方位に角度にして数度から十数度傾斜させた表面を有する｛１００｝を主面とするシリコンを基板１０１とできる。ｎ形或いはｐ形リン化ガリウム（ＧａＰ）または砒化ガリウム（ＧａＡｓ）或いはリン化硼素（ＢＰ）（▲１▼Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１２０（１９７３）、ｐ．ｐ．８０２〜８０６．、及び▲２▼米国特許５，０４２，０４３号公報参照）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶も基板１０１として利用できる。
【００１４】
導電性の結晶材料を基板１０１とすれば、基板１０１の電気的導通性に依り、基板１０１裏面に正負、何れかの極性のオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極１０７を敷設できる。従い、導電性結晶基板は、サファイア等の絶縁性結晶を基板とした場合に於ける、積層構造体の一部を除去し、導電性の構成層表面を露出させた上で電極を形成する煩雑な工程（特開平１０−３２１９０７号公報参照）を不要となし、簡便に発光素子を構成する利便な技術手段を与える。特に、抵抗率を１０ミリオーム（ｍΩ）以下、より望ましくは１ｍΩ以下とする低比抵抗の導電性単結晶基板１０１は、順方向電圧（所謂、Ｖｆ）を低く抑えたＬＥＤ、また、放熱性に優れるため、安定した発振をもたらすＬＤを構成するに有効である。
【００１５】
単結晶基板１０１と障壁層１０３との中間には、緩衝層１０２を設ける構成とするのが望ましい。緩衝層１０２は、例えば、一般式Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_１− _α ₋ _β ₋ _γＰ_１− _δＡｓ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１で且つ０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）で表記されるリン化硼素系半導体から好適に構成できる。また、例えば、一般式Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_１− _α ₋ _β ₋ _γＰ_１− _δＮ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１で且つ０＜α＋β＋γ≦１、０＜δ＜１）で表記される窒素（Ｎ）を含むリン化硼素系半導体から構成できる。好ましくは、構成元素数が少なく、簡便に構成できる２元結晶或いは３元混晶から構成する。例えば、単量体リン化硼素（ＢＰ）、リン化アルミニウム・硼素混晶（Ｂ_αＡｌ_βＰ：０＜α≦１、０≦β＜１で且つα＋β＝１）、リン化硼素・ガリウム混晶（Ｂ_αＧａ_δＰ：０＜α≦１、０≦γ＜１で且つα＋δ＝１）、或いはリン化硼素・インジウム混晶（Ｂ_αＩｎ_１− _αＰ：０＜α≦１）などから構成する。
【００１６】
特に、緩衝層１０２を、基板１０１を構成する単結晶材料に格子整合する組成の結晶層から構成すると、単結晶基板１０１と例えば、障壁層１０３等の積層構造体１Ａの構成層との格子不整合性が緩和される利点が生ずる。このため、結晶性に優れる障壁層１０３或いは発光層１０４を得るに特に、効果が挙げられる。この効果をもたらすに好適な緩衝層１０２の構成材料として、シリコン（格子定数≒５．４３１Å）に格子整合するリン化硼素・ガリウム（Ｂ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｐ：格子定数≒５．４３１Å）を例示できる（上記の特開平１１−２６６００６号参照）。また、リン化硼素・ガリウム（Ｂ_０．３２Ｇａ_０．６８Ｐ：格子定数≒５．４５０Å）や砒化硼素・ガリウム（Ｂ_０．２３Ｇａ_０．７７Ａｓ：格子定数≒５．４５０Å）等からはＧａＰ単結晶（格子定数≒５．４５０Å）基板と格子整合を果たす含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体混晶層を構成できる（特開２０００−２２２１１号公報参照）。
【００１７】
緩衝層１０２を、非晶質または多結晶からなる薄膜層から構成すると、基板１０１と障壁層１０３を構成する材料間の熱膨張率の差異に起因する障壁層１０３の基板１０１表面からの剥離を防止するに効果が挙げられる。特に、緩衝層１０２を、障壁層１０３と同一の含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体材料から構成すると、障壁層１０３の剥離を防止するに顕著に効果を挙げられる。非晶質または多結晶のＢ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_１− _α ₋ _β ₋ _γＰ_１− _δＡｓ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１で且つ０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）緩衝層１０２は、例えば、ＭＯＣＶＤ法（Ｉｎｓｔ．Ｐｈｙｓ．Ｃｏｎｆ．Ｓｅｒ．，Ｎｏ．１２９（ＩＯＰＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＬｔｄ．，１９９３）、１５７〜１６２頁参照）により成膜温度を、比較的低温の２５０℃〜７５０℃とすれば形成できる。約５００℃以下の低温では、非晶質を主体とする含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が得られ易い。大凡、５００℃〜７５０℃のより高温領域では多結晶の含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が得られる。非晶質或いは多結晶の緩衝層１０２を構成する薄膜層の層厚は、約１ｎｍ以上で１００ｎｍ以下、更には、２ｎｍ以上で５０ｎｍ以下であるのが望ましい。薄膜層が非晶質層か多結晶層の何れかであるかは、例えば、一般的なＸ線回折法、電子線回折法に依る回折像の解析から知れる。
【００１８】
非晶質または多結晶からなる緩衝層１０２はまた、基板１０１を構成する単結晶材料の表面をなす結晶面の面指数に依らずに、その上層の障壁層１０３を構成する結晶面を画一的に特定する作用を有する。例えば、シリコン等の立方晶基板表面上に設けた非晶質または多結晶の緩衝層１０２を介在させて障壁層１０３を設ける構成とすると、｛１１０｝結晶面を主体としてなる結晶層が安定して得られる。面指数を｛１１０｝とする結晶面（｛１１０｝結晶面）とは、（１１０）、（−１，１，０）、（−１，−１，０）、（１，−１，０）等の（１１０）に等価な結晶面の総称である。緩衝層１０２或いは障壁層１０３等を構成する結晶面は通常のＸ線回折パターン或いは電子線回折パターンの解析から同定できる。｛１１０｝結晶面を主体としてなる含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層、例えば、リン化硼素層は大凡、７５０℃〜１２００℃の範囲で形成できる。１２００℃を越える高温での成膜は、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の構成元素、特に、Ｖ族構成元素の揮散に因る孔（ｐｉｔ）を顕著に発生させ、平滑な表面の半導体層を安定して帰結するに支障を来す。立方晶閃亜鉛鉱結晶型の含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体は、［１１０］に明瞭な劈開性を呈する（河東田隆著、「電子・情報工学講座１２デバイス・プロセス」（１９９３年１月１５日、（株）培風館発行初版）、１６１頁参照）。従って、｛１１０｝結晶面からなる含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層には簡便に劈開を及ぼせる。従って、主に｛１１０｝結晶面からなる結晶層を備えた積層構造体からは、例えば、劈開面を共振端面とする直方体状のレーザダイオードを簡便に構成できる利点がある。
【００１９】
緩衝層１０２上には、例えば、一般式Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_１− _α ₋ _β ₋ _γＰ_１− _δＡｓ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１で且つ０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）、或いは一般式Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_１− _α ₋ _β ₋ _γＰ_１− _δＮ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１で且つ０＜α＋β＋γ≦１、０＜δ＜１）で表記される含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層からなる障壁層１０３を設ける。障壁層１０３を、基板１０１との接合界面で緩衝層１０２と格子整合し、且つ発光層１０４との接合界面で発光層１０４に格子整合する硼素組成比を有する組成勾配層から構成する。障壁層１０３を、緩衝層１０２と発光層１０４の双方に格子整合する組成勾配層は、ミスフィット転位、積層欠陥等の結晶欠陥密度の低い良質の発光層１０４をもたらすに貢献できる。含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体組成勾配層は、緩衝層を構成する従来の含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層に見られる如く（上記の特開２０００−２２２１１号参照）、層厚の増加方向に一律に、または段階的に、或いは非直線的に硼素組成比を増減させる何れの様式をもってしても構成できる。例えば、シリコンからなる基板１０１上にリン化ガリウム（ＧａＰ）からなる発光層１０４を設けるに際し、シリコン基板１０１との界面で、硼素組成比（＝Ｘ）を０．０２としＧａＰ発光層との界面で硼素組成比を０（零）に直線的に減じる様に硼素（Ｂ）組成比（＝α）に勾配を付したリン化硼素・ガリウム（Ｂ_αＧａ_δＰ：α＝０．０２→０、対応して、δ＝０．９８→１．００、α＋δ＝１）組成勾配層は、基板１０１或いは緩衝層１０２と発光層１０４との間の格子ミスマッチを緩和する機能層として有効に作用できる。
【００２０】
本発明の第４の実施形態では、組成勾配を有する障壁層１０３を、基板１０１をなす単結晶材料に格子整合する含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から緩衝層１０２上に設けるのを好適とする。例えば、基板１０１をシリコン（格子定数≒５．４３１Å）とし、緩衝層１０２をリン化硼素・ガリウム（Ｂ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｐ：格子定数≒５．４３１Å）から構成し、障壁層１０３を緩衝層１０２との接合界面で硼素組成比（＝Ｘ）を０．０２（＝２％）とするＢ_ＸＧａ_１−ＸＰ組成勾配層から構成する例が上げられる。緩衝層１０２を基板１０１の単結晶材料に格子整合する材料から構成とすると、格子不整合性に因るミスフィット転位等の結晶欠陥の発生を抑制するに殊更、効果が挙げられ、結晶性に優れる良質の障壁層１０３、しいては発光層１０４をもたらすことができる。
【００２１】
障壁層１０３は、発光層１０４よりも大きな禁止帯幅を与える硼素組成比を有する組成勾配層から構成する。少なくとも、発光層１０４に対向する表面とは反対側の緩衝層１０２に対向する表面側の領域は、発光層１０４を越える禁止帯幅の含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から構成する。この様な高い禁止帯幅の障壁層１０３はリン化硼素（ＢＰ）系半導体から好適に構成できる。例えば、成長速度と、ＩＩＩ族構成元素及びＶ族構成元素の原料の供給比率（所謂、Ｖ／ＩＩＩ比率）を規定された範囲内に設定することにより得られる室温での禁止帯幅を３．０±０．２ｅＶとする単量体のリン化硼素（ＢＰ）を基材として構成できる（上記の特願２００１−１５８２８２号参照）。例えば、室温での禁止帯幅を３．０ｅＶとする単量体ＢＰを基材として、リン化ガリウム（ＧａＰ）と混晶となせば、禁止帯幅を２．３ｅＶ（ＧａＰの禁止帯幅に相当する）以上で３．０ｅＶ（ＢＰの禁止帯幅に相当する）以下とするリン化硼素・ガリウム（Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ：０≦Ｘ≦１）組成勾配層を構成できる。因みに、従来の禁止帯幅を約２．０ｅＶとするリン化硼素（ＢＰ）をＧａＰと混晶化させても２．０ｅＶ以上で２．３ｅＶ以下の禁止帯幅の小さなＢ_ＸＧａ_１−ＸＰが帰結されるのみである。即ち、例えば、ＧａＡｓ_１−ＺＰ_Ｚ（０≦Ｚ≦１）からなる発光層全般に対して障壁作用を及ぼす障壁層を構成できない。禁止帯幅は例えば、屈折率（＝ｎ）と消衰係数（＝ｋ）との積値で与えられる複素誘電率（ε_２＝２・ｎ・ｋ）の波長（光子エネルギー）依存性から求められる。
【００２２】
障壁層１０３上に設ける発光層１０４は、例えば、ガリウム（Ｇａ）とリン（Ｐ）とを含む含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から構成する。一例として、砒化リン化ガリウム（ＧａＡｓ_１−ＺＰ_Ｚ：０≦Ｚ≦１）から発光層１０４を構成する例を挙げられる。ＧａＰからは純緑色（波長≒５５５ｎｍ）から赤色帯光を放射する発光層１０４を構成できる。例えば、亜鉛（Ｚｎ）と酸素（Ｏ）とを添加したＧａＰ層は赤色帯光を発する発光層１０４として利用できる。また、ＧａＡｓ_１−ＺＰ_Ｚ混晶からは、例えば、黄色帯や橙色帯の発光をもたらす発光層１０４を構成できる。また、窒素（Ｎ）を添加した例えば、ｎ形ＧａＡｓ_１−ＸＰ_Ｘ層は、窒素（Ｎ）の等電子的捕獲中心（ｉｓｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｒａｐ）作用に依り高強度の発光をもたらせる発光層１０４として有用である。
【００２３】
発光層１０４は、また、上記の障壁層１０３の発光層１０４に対向する表面をなす含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から構成することもできる。発光層に格子整合する組成を有する組成勾配層上の表面に、更にその表面をなす含硼素ＩＩＩＶ族化合物半導体層を所望の層厚に積層して発光層１０４となすことができる。障壁層１０３の表面に、障壁層１０３と同一の材料から構成される発光層１０４を積層させれば、両層１０３、１０４の格子定数の一致に依り、殊更、格子不整合に起因する結晶欠陥密度の少ない発光層１０４を得ることができる。本発明の第２の実施形態の好例として、障壁層１０３と発光層１０４の双方を導電性のリン化硼素・ガリウム（Ｂ_αＧａ_δＰ：０＜α≦１、０≦δ＜１、α＋δ＝１）から構成する例が挙げられる。また、双方の層１０３，１０４をリン化硼素・インジウム混晶（Ｂ_αＩｎ_１− _αＰ：０＜α≦１）から構成する例が挙げられる。
【００２４】
発光層１０４は、特に、砒化リン化硼素・ガリウム（Ｂ_ＹＧａ_１−ＹＡｓ_１−ＺＰ_Ｚ：０≦Ｙ＜１、０＜Ｚ≦１）から構成できる。Ｂ_ＹＧａ_１−ＹＡｓ_１−ＺＰ_Ｚ（０≦Ｙ＜１、０＜Ｚ≦１）にあって、硼素（Ｂ）組成比（＝Ｙ）を増大させれば、従来の発光層の構成材料である砒化リン化ガリウム（ＧａＡｓ_１−ＺＰ_Ｚ：０≦Ｚ≦１）以上の禁止帯幅の含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体を構成できる。従って、これらは、ＧａＡｓ_１−ＺＰ_Ｚ（０≦Ｚ≦１）よりも短い波長の発光を出射する発光層１０４として好適に利用できる。本発明の第３の実施形態の好例として、発光層をシリコン（格子定数≒５．４３１Å）と格子整合するＢ_０．０２Ｇａ_０．９８Ｐから構成する例がある。Ｂ_ＹＧａ_１−ＹＡｓ_１−ＺＰ_Ｚ混晶の母体材料であるリン化硼素（ＢＰ）及びリン化砒素（ＢＡｓ）は、何れも間接遷移（ｉｎｄｉｒｅｃｔｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）型のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体である（上記の「半導体デバイス概論」、２８頁参照）。従い、窒素（Ｎ）等の電気陰性度の大きな元素を等電子的トラップとして添加したＢ_ＹＧａ_１−ＹＡｓ_１−ＺＰ_Ｚ混晶層は高強度の発光をもたらす発光層１０４として優位に利用できる。
【００２５】
本発明の第５の実施形態では、特に、基板１０１をシリコンとし、基板１０１と発光層１０４との中間の障壁層１０３を基板１０１のシリコンと同一の伝導形のｎ形またはｐ形のＢ_αＧａ_δＰ（０＜α≦１、０≦δ＜１、α＋δ＝１）層から構成する。また、本発明の第６の実施形態では、特に、基板１０１をシリコンとし、障壁層１０３を基板のシリコンと同一の伝導形のｎ形またはｐ形のＢ_αＩｎ_１− _αＰ（０＜α≦１）層から構成する。Ｂ_αＧａ_δＰ（０＜α≦１、０≦δ≦１）及びＢ_αＩｎ_１− _αＰ（０＜α≦１）は硼素組成比如何に依って、基板１０１をなすシリコン（格子定数≒５．４３１Å）とＢ_ＹＧａ_１−ＹＡｓ_１−ＺＰ_Ｚ発光層の双方に格子整合する組成勾配層を簡便に構成できる利点がある。ｐ形障壁層１０３を得るためのｐ形ドーパント（ｄｏｐａｎｔ）として、亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）やベリリウム（Ｂｅ）などの第ＩＩ族元素を例示できる。また、ｎ形ドーパントとして珪素（Ｓｉ）、錫（Ｓｎ）等の第ＩＶ族元素、並びに硫黄（Ｓ）やセレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）等の第ＶＩ族元素を例示できる。
【００２６】
本発明に係わる障壁層１０３を、発光層１０４の上部に設ける構成とすると二重（ＤＨ）接合型発光部を構成できる。また、例えば、量子井戸構造からなる発光層を構成するための障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層として利用できる。また、ＬＥＤにあって発光の外部への取り出し方向に設ける、発光を外部へ透過する窓（ｗｉｎｄｏｗ）層等として利用できる。
【００２７】
本発明の第７の実施形態では、積層構造体１Ａを母体材料として発光素子を構成する。例えば、ＬＥＤは、積層構造体１Ａをなす表層の発光層１０４上に表面オーミック電極１０６を設け、また、基板１０１の裏面に裏面オーミック電極１０７を配置して構成する。基板１０１を導電性の単結晶材料から構成すれば、その裏面にオーミック電極を設けられ、発光素子を製造するための電極形成工程を簡略となすことができる。ｐ形オーミック電極は、例えば、金・亜鉛（Ａｕ・Ｚｎ）合金、金・ベリリウム（Ａｕ・Ｂｅ）合金等から構成できる。また、金・ゲルマニウム（Ａｕ・Ｇｅ）合金、金・インジウム（Ａｕ・Ｉｎ）合金、並びに金・錫（Ａｕ・Ｓｎ）合金などの金合金等からｎ形オーミック電極を形成できる。良好なオーミック接触性を発揮する電極を形成するために、表面電極１０６を良導性のコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層上に設けることもできる。本発明に係わる高い禁止帯幅の含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層は、発光を取り出し方向に透過できる表面電極１０６用途のコンタクト層を構成するに好適である。
【００２８】
また、積層構造体１Ａの基板１０１上に発光素子の動作を制御するため電子部品を付帯させて設けることにより一体化した複合発光素子を得ることができる。動作制御用途の電子部品には、例えば、ＭＥＳ（ショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）金属接合型）、ＭＯＳ型（金属／酸化物／半導体接合型）或いはｐｎ接合型電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）、ｐｎ接合型サージダイオード、受光素子等を例示できる。例えば、ＦＥＴを付帯させれば、例えば、ゲート（ｇａｔｅ）電極への信号入力の如何に依って、点灯と消灯の何れかの動作を発光素子に選択して施せ、電気信号に依り発光素子の発光強度を瞬時に変化させられる。また、サージダイオードを付帯させれば、発光素子への大きな電流の不用意な入力を回避でき、発光素子の安定動作並びに動作寿命を延長するに効果が奏される。また、受光素子を付帯させれば、受光素子により測光される発光素子の発光の強度を電気信号として例えば、ＦＥＴに送信し、ＦＥＴの電流増幅作用を介して、発光素子の発光強度を変調させられる複合素子を構成できる。これらの電子機能部品は、シリコン等からなる基板１０１の表面に例えば、貼付して設けることができる。
【００２９】
発光素子の動作を制御するための上記の電子部品は、上記の本発明の第８の実施形態に示す如く、シリコン等の基板１０１表面上に直接、設けられる他、伝導形の制御が容易に行える緩衝層１０２または障壁層１０３をなす含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層上に設けることができる。本発明の第９の実施形態の一例を次に記す。積層構造体１Ａを一旦、形成した後、例えば、プラズマエッチング加工を施して、積層構造体１Ａの一部の領域に限り発光層１０４を除去して、障壁層１０３の表面を露出させる。次に、露出させた障壁層１０３の表面に、同層１０３とは反対の伝導形の例えば、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を接合させる。この様に含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を利用すれば、簡便にｐｎ接合構造を構成でき、従って、例えば、発光素子をサージに因る破壊から保護するｐｎ接合型ツェナ（Ｚｅｎｎｅｒ）ダイオードを簡易に構成できる。
【００３０】
本発明に依る発光素子からは高輝度のランプを構成できる。例えば、本発明の第１０の実施形態のランプは次の如くの工程をもって構成できる。図６に例示する如く、基板１１上に本発明に係わる含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層１２を備えたＬＥＤ１０を、台座１５上の銀（Ａｇ）或いはアルミニウム（Ａｌ）等の金属を鍍金した碗体１６の中央部に導電性の接合材で固定する。これより、基板１１の底面に設けた一極性の電極１４を台座１５に付属する一端子１７に電気的に接続させる。また、ヘテロ接合構造発光部１２上に設置した電極１３を台座１５に付属する他の一方の端子１８に結線する。一般的な半導体封止用のエポキシ樹脂１９で碗体１６を囲繞する様に封止すればランプを構成できる。また、本発明に係わる積層構成からなる積層構造体には劈開を容易に及ぼせるため、約２００μｍ〜約３００μｍ角の小型ＬＥＤも形成でき、従って、特に、設置容積を小とする表示器等として好適な小型の発光ダイオードランプを構成できる。
【００３１】
また、本発明の第１１の実施形態では、ＬＥＤ或いは樹脂封止されたダイオードランプを集合させて、光源を構成する。例えば、複数のＬＥＤを電気的に並列に接続させて、定電圧駆動型の光源を構成できる。また、電気的に直列にダイオードランプを接続して定電流駆動型の光源を構成できる。これらのＬＥＤを利用する光源は、従来の白熱型のランプ光源とは異なり、点灯によりさほど放熱を伴わないため、冷光源として特に有用に利用できる。例えば、冷凍食品の展示用光源として利用できる。また、例えば、屋外表示器、交通信号を提示するための信号器、自動車用途の方向指示器或いは照明機器等に好適に用いられる光源を構成できる。
【００３２】
【作用】
単結晶基板と砒化リン化硼素・ガリウム（Ｂ_ＹＧａ_１−ＹＡｓ_１−ＺＰ_Ｚ：０≦Ｙ＜１、０＜Ｚ≦１）発光層との中間に設けられた含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層は、基板をなす単結晶材料と発光層との格子不整合性を緩和して結晶性に優れる良質の発光層をもたらす作用を有する。
【００３３】
特に、砒化リン化硼素・ガリウム（Ｂ_ＹＧａ_１−ＹＡｓ_１−ＺＰ_Ｚ：０≦Ｙ＜１、０＜Ｚ≦１）発光層と同一の格子定数を有する含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる障壁層は、殊更、結晶性に優れる良質の発光層をもたらす作用を有する。
【００３４】
【実施例】
（第１実施例）
珪素（Ｓｉ）単結晶基板上に、リン化硼素（ＢＰ）結晶層とリン化ガリウム（ＧａＰ）単結晶層との単一（ＳＨ）ヘテロ接合構造を備えた積層構造体とその積層構造体からＧａＰ系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。
【００３５】
本実施例に係わるＬＥＤ２Ｂの平面模式図を図２に示す。また、図２の破線Ｘ−Ｘ’に沿ったＬＥＤ２Ｂの断面構造を図３の模式図に示す。図２及び図３において、図１に掲示したのと同一の構成要素については同一の符号を付すこととする。
【００３６】
本発明に係わる発光素子用積層構造体２Ａは、硼素（Ｂ）ドープｐ形｛１００｝−Ｓｉ単結晶を基板１０１として構成した。基板１０１の表面を構成する結晶面は、［１１０］方向に角度にして２度（°）傾斜した｛１００｝面である。基板１０１の表面上には、トリエチル硼素（（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ）／ホスフィン（ＰＨ_３）／水素（Ｈ_２）系常圧ＭＯＣＶＤ法により、３５０℃で、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で非晶質を主体としたリン化硼素からなる緩衝層１０２を堆積した。緩衝層１０２の層厚は約１２ｎｍに設定した。
【００３７】
緩衝層１０２の表面上には、（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ／トリメチルインジウム（（ＣＨ_３）_３Ｉｎ）／ＰＨ_３／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法により、８００℃でマグネシウム（Ｍｇ）をドーピングしたｐ形Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ組成勾配層を障壁層１０３として積層した。ｐ形Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ組成勾配層の硼素組成比（＝Ｘ）は、緩衝層１０２との接合界面で１．００とし表面で０．３２となる様に直線的に減少させた。下部クラッド層として利用したＢ_ＸＩｎ_１−ＸＰ組成勾配層１０３は、主に｛１１０｝結晶面から構成されるものとなった。マグネシウム（Ｍｇ）のドーピング源には、ビス−シクロペンタジエニルマグネシウム（分子式：ｂｉｓ−（Ｃ_５Ｈ_４）_２Ｍｇ）を用いた。下部障壁層１０３をなすｐ形Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ組成勾配層のキャリア濃度は約８×１０^１８ｃｍ^−３とした。層厚は約１０００ｎｍとした。上記の緩衝層１０２を下地層としたため、ｐ形Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ（Ｘ＝１．００→０．３２）障壁層１０３は亀裂（ｃｒａｃｋ）も無い連続膜となった。
【００３８】
ｐ形Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ組成勾配層からなる障壁層１０３上には、ｎ形リン化ガリウム（ＧａＰ）からなる発光層１０４を積層させた。発光層１０４は、表面を、ＧａＰ（格子定数≒５．４５０Å）に格子整合する組成のＢ_０．３２Ｉｎ_０．６８Ｐ障壁層１０３上に設ける構成としたため、亀裂も無い連続膜となった。ｎ形のドーパントとして珪素（Ｓｉ）を用い、キャリア濃度は約１×１０^１７ｃｍ^−３とした。発光層１０４の層厚は約１８０ｎｍとした。発光層１０４をトリメチルガリウム（（ＣＨ_３）_３Ｇａ）／ＰＨ_３／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法に依り、８００℃で成長させる際には、アンモニア（ＮＨ_３）を使用して窒素（Ｎ）をアイソエレクトロニックトラップとしてドーピングした。ＧａＰ発光層１０４内部の窒素原子濃度は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）に依り、約７×１０^１８原子／ｃｍ^３と定量された。
【００３９】
発光層１０４の表面上には、円形の結線用の台座電極を兼用する表面電極１０６を配置した。表面電極１０６は金（Ａｕ）・ゲルマニウム（Ｇｅ）真空蒸着膜から構成した。表面電極１０６の直径は１２０μｍとした。また、ｐ形Ｓｉ基板１０１の裏面の略全面には、裏面オーミック電極１０７を配置してＬＥＤ１Ｂを構成した。ｐ形裏面電極１０７はアルミニウム（Ａｌ）真空蒸着膜から構成した。次に、｛１００｝結晶面を主面とするＳｉ単結晶１０１を基板とする積層構造体２Ａを［１１０］結晶方位に沿って劈開し、一辺を約３００μｍとする正方形のＬＥＤチップ２Ｂとした。
【００４０】
表面及び裏面電極１０６〜１０７間に順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流したところ、ＬＥＤ２Ｂからは発光中心波長を約５５７ｎｍとする緑色光が出射された。一般的な積分球を利用して測定されるチップ（ｃｈｉｐ）状態での輝度は約６ミリカンデラ（ｍｃｄ）となり、高発光強度のＳＨ接合型緑色ＬＥＤが提供された。Ｉ−Ｖ特性から求めた順方向電圧（所謂、Ｖｆ）は約２．２Ｖ（順方向電流＝２０ｍＡ）となった。また、逆方向電圧は約８Ｖ（逆方向電流＝１０μＡ）であり、高耐圧のＬＥＤが提供された。
【００４１】
（第２実施例）
リン化ガリウム（ＧａＰ）単結晶基板上に、｛１１０｝−リン化硼素・ガリウム（Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ：０≦Ｘ≦１）結晶層とリン化硼素ガリウム（Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ）発光層との二重（ＤＨ）ヘテロ接合構造を備えた積層構造体とその積層構造体からＧａＰ系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。
【００４２】
本実施例に係わるＬＥＤ３Ｂの断面模式図を図４に示す。図４において、図２乃び図３に掲示したのと同一の構成要素については同一の符号を付すこととする。
【００４３】
本発明に係わる発光素子用積層構造体３Ａは、珪素（Ｓｉ）ドープｎ形｛１００｝−ＧａＰ単結晶を基板１０１として構成した。基板１０１の表面上には、トリエチル硼素（（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ）／トリメチルガリウム（（ＣＨ_３）_３Ｇａ）／ホスフィン（ＰＨ_３）／水素（Ｈ_２）系常圧ＭＯＣＶＤ法により、５８０℃で多結晶のリン化硼素（ＢＰ）からなる緩衝層１０２を堆積した。緩衝層１０２の層厚は約３０ｎｍに設定した。
【００４４】
緩衝層１０２の表面上には、（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ／（ＣＨ_３）_３Ｇａ／ＰＨ_３／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法により、８００℃でｎ形Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ組成勾配層を障壁層１０３として堆積した。ｐ形Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ障壁層１０３の硼素組成（＝Ｘ）は、緩衝層１０２との接合界面で硼素（Ｂ）組成比を１．００とし、表面で硼素組成比を０．０５に直線的に減少させた。下部クラッド層として利用したＢ_ＸＧａ_１−ＸＰ組成勾配層は、Ｓｉ基板の表面に平行に積重したＢ_ＸＧａ_１−ＸＰ（Ｘ＝１．００→０．０５）の｛１１０｝結晶面から構成されるものとなった。また、｛１１０｝Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ障壁層１０３は、成長速度を毎分３０ｎｍとし、Ｖ／ＩＩＩ比率（＝ＰＨ_３／（ＣＨ_３）_３Ｂ供給比率）を５０として形成したため、複素誘電率の光子エネルギー依存性から求めた室温での禁止帯幅は約３．０ｅＶとなった。珪素（Ｓｉ）のドーピング源には、水素−ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）混合ガスを使用した。下部クラッド層をなすｎ形Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ障壁層１０３のキャリア濃度は約８×１０^１８ｃｍ^−３とした。層厚は約１０００ｎｍとした。上記の緩衝層１０２を下地層の効用に依り、ｎ形Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ障壁層１０３は亀裂も無い連続膜となった。
【００４５】
ｎ形Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ障壁層１０３上には、ｎ形リン化硼素・ガリウム（Ｂ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｐ）からなる発光層１０４を積層させた。ｎ形のドーパントとして珪素（Ｓｉ）を用い、キャリア濃度は約１×１０^１７ｃｍ^−３とした。発光層１０４の層厚は約１５０ｎｍとした。発光層１０４を（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ／（ＣＨ_３）_３Ｇａ／ＰＨ_３／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法に依り、８００℃で成長させる際には、アンモニア（ＮＨ_３）を使用して窒素（Ｎ）をアイソエレクトロニックトラップとしてドーピングした。Ｂ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｐ発光層１０４内部の窒素原子濃度は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）に依り、約８×１０^１８原子／ｃｍ^３と定量された。
【００４６】
ｎ形Ｂ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｐ発光層１０４の表面上には、（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ／ＰＨ_３／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法に依り、３５０℃で非晶質を主体とするｐ形リン化硼素（ＢＰ）層を障壁層１０５として接合させた。ｐ形のドーパントとしては上記のビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いた。キャリア濃度は約２×１０^１９ｃｍ^−３とし、層厚は６８０ｎｍとした。波長（＝λ）とその波長に於ける消衰係数（＝ｋ）とから算出した吸収係数（＝４・π・ｋ／λ：ｃｍ^−１）を利用して求めた障壁層１０５を構成する非晶質を主体とするＢＰ層の室温禁止帯幅は約３．１ｅＶであった。ｎ形Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ下部障壁層１０３と、ｎ形Ｂ_０．０５Ｇａ_０．９５Ｐ発光層１０４、及びｐ形ＢＰ層を上部障壁層１０５としてｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）構造の発光部を形成した。
【００４７】
非晶質のリン化硼素を主体としてなる上部障壁層１０５の表面の中央部には、円形の結線用の台座電極を兼用するｐ形表面電極１０６を配置した。ｐ形表面電極１０６は金（Ａｕ）・亜鉛（Ｚｎ）真空蒸着膜から構成した。表面電極１０６の直径は１３０μｍとした。また、ｎ形ＧａＰ基板１０１の裏面の略全面には、ｎ形裏面電極１０７を配置してＬＥＤ３Ｂを構成した。ｎ形裏面電極１０７は、金（Ａｕ）・ゲルマニウム（Ｇｅ）真空蒸着膜から構成した。次に、｛１００｝結晶面を主面とするがＧａＰ単結晶１０１を基板とする積層構造体３Ａを［１１０］結晶方位に沿って劈開し、一辺を約２５０μｍとする正方形のＬＥＤチップ３Ｂとした。
【００４８】
表面及び裏面電極１０６〜１０７間に順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流したところ、ＬＥＤ３Ｂからは、発光中心波長を約５４０ｎｍとする緑色光が出射された。一般的な積分球を利用して測定されるチップ（ｃｈｉｐ）状態での輝度は約５ミリカンデラ（ｍｃｄ）となり、高発光強度の短波長可視ＬＥＤが提供された。Ｉ−Ｖ特性から求めた順方向電圧（所謂、Ｖｆ）は約２．３Ｖ（順方向電流＝２０ｍＡ）となった。また、逆方向電圧は約８Ｖ（逆方向電流＝１０μＡ）であり、高耐圧のＬＥＤが提供された。
【００４９】
（第３実施例）
珪素（Ｓｉ）単結晶基板上に、Ｓｉ単結晶に構成整合する緩衝層を備えた積層構造体とその積層構造体からＧａＡｓＰ系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。
【００５０】
本実施例に係わるＬＥＤ４Ｂの断面模式図を図５に示す。図５において、図２乃至図４に掲示した同一の構成要素については同一の符号を付すこととする。
【００５１】
本発明に係わる発光素子用積層構造体４Ａは、アンチモン（Ｓｂ）ドープｎ形｛１００｝−Ｓｉ単結晶を基板１０１として構成した。基板１０１の表面上には、トリエチル硼素（（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ）／トリメチルインジウム（（ＣＨ_３）_３Ｉｎ）／ホスフィン（ＰＨ_３）／水素（Ｈ_２）系減圧ＭＯＣＶＤ法により、４００℃でリン化硼素・インジウム（Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ）からなる緩衝層１０２を成膜した。硼素（Ｂ）組成比（＝Ｘ）は、Ｓｉ単結晶と同一の格子定数（≒５．４３１Å）をもたらす０．３２に設定した。成膜時の圧力は約５×１０^４パスカル（圧力単位：Ｐａ）とした。緩衝層１０２の層厚は約１０ｎｍに設定した。
【００５２】
緩衝層１０２の表面上には、（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ／（ＣＨ_３）_３Ｉｎ／ＰＨ_３／Ｈ_２系減圧ＭＯＣＶＤ法により、８００℃でＳｉドープＢ_ＸＩｎ_１−ＸＰ組成勾配層を障壁層１０３として堆積した。ｎ形Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ組成勾配層１０２の硼素組成比（＝Ｘ）は、緩衝層１０３との接合界面で硼素（Ｂ）組成比を０．３２とし、表面で硼素組成比を０．２４に直線的に減少させた。下部クラッド層として利用したＢ_ＸＧａ_１−ＸＰ（Ｘ＝０．３２→０．２４）組成勾配層は、主にＢ_ＸＩｎ_１−ＸＰ結晶の｛１１０｝結晶面から構成されるものとなった。また、｛１１０｝−Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ組成勾配層は、成長速度を毎分２０ｎｍとし、Ｖ／ＩＩＩ比率（＝ＰＨ_３／（ＣＨ_３）_３Ｂ供給比率）を４０として形成したため、複素誘電率の光子エネルギー依存性から求めた室温での禁止帯幅は約２．８ｅＶとなった。珪素（Ｓｉ）のドーピング源には、水素−ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）混合ガスを使用した。下部クラッド層をなすｎ形Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ障壁層１０３のキャリア濃度は約２×１０^１８ｃｍ^−３とした。層厚は約５００ｎｍとした。上記の緩衝層１０２を下地層の効用に依り、ｎ形Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ障壁層１０３は亀裂も無い連続膜となった。
【００５３】
ｎ形Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ障壁層１０３上には、ｎ形砒化リン化ガリウム（ＧａＡｓ_０．５０Ｐ_０．５０）からなる発光層１０４を積層させた。ｎ形のドーパントとして珪素（Ｓｉ）を用い、キャリア濃度は約２×１０^１７ｃｍ^−３とした。発光層１０４の層厚は約４５０ｎｍとした。発光層１０４を（ＣＨ_３）_３Ｇａ／アルシン（ＡｓＨ_３）／ＰＨ_３／Ｈ_２系減圧ＭＯＣＶＤ法に依り、８００℃で成長させる際には、アンモニア（ＮＨ_３）を使用して窒素（Ｎ）をアイソエレクトロニックトラップとしてドーピングした。ＧａＡｓ_０．５０Ｐ_０．５０発光層１０４内部の窒素原子濃度は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）に依り、約５×１０^１８原子／ｃｍ^３と定量された。
【００５４】
ｎ形ＧａＡｓ_０．５０Ｐ_０．５０発光層１０４の表面上には、（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ／ＰＨ_３／Ｈ_２系減ＭＯＣＶＤ法に依り、３５０℃で非晶質を主体とするｐ形リン化硼素（ＢＰ）層を上部障壁層１０５として接合させた。ｐ形のドーパントとしては上記のビスシクロペンタジエニルマグネシウムを用いた。キャリア濃度は約２×１０^１９ｃｍ^−３とし、層厚は１０８０ｎｍとした。波長（＝λ）とその波長に於ける消衰係数（＝ｋ）とから算出した吸収係数（＝４・π・ｋ／λ：ｃｍ^−１）を利用して求めた上部障壁層１０５を構成する非晶質を主体とするＢＰ層の室温禁止帯幅は約３．１ｅＶであった。ｎ形Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ下部障壁層１０３と、ｎ形ＧａＡｓ_０．５０Ｐ_０．５０発光層１０４、及びｐ形ＢＰ層を上部障壁層１０５としてｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）構造の発光部を形成した。
【００５５】
非晶質のリン化硼素を主体としてなる上部障壁層１０５の表面の中央部には、円形の結線用の台座電極を兼用するｐ形表面電極１０６を配置した。ｐ形表面電極１０６は金（Ａｕ）・亜鉛（Ｚｎ）真空蒸着膜から構成した。表面電極１０６の直径は１３０μｍとした。また、ｎ形Ｓｉ基板１０１の裏面の略全面には、ｎ形裏面電極１０７を配置してＬＥＤ４Ｂを構成した。ｎ形裏面電極１０７は、金（Ａｕ）真空蒸着膜から構成した。次に、｛１００｝結晶面を主面とするがＳｉ単結晶１０１を基板とする積層構造体４Ａを［１１０］結晶方位に沿って劈開し、一辺を約２５０μｍとする正方形のＬＥＤチップ４Ｂとした。
【００５６】
表面及び裏面電極１０６〜１０７間に順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流したところ、ＬＥＤ４Ｂからは、発光中心波長を約６００ｎｍとする緑色光が出射された。一般的な積分球を利用して測定されるチップ（ｃｈｉｐ）状態での輝度は約７ミリカンデラ（ｍｃｄ）となり、高発光強度の短波長可視ＬＥＤが提供された。Ｉ−Ｖ特性から求めた順方向電圧（所謂、Ｖｆ）は約２．３Ｖ（順方向電流＝２０ｍＡ）となった。また、逆方向電圧は約５Ｖ（逆方向電流＝１０μＡ）であり、高耐圧のＬＥＤが提供された。
【００５７】
【発明の効果】
単結晶の基板上に設けられた、含ガリウムＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を発光層として備えている発光素子用積層構造体において、発光層を、硼素組成に勾配を付した含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体組成勾配層上に設ける構成とすることに依り、基板を構成する単結晶材料と発光層との格子不整合性が緩和されるため、良好な結晶性を有する発光層を備えた発光素子用積層構造体を構成できる。また、含硼素ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体組成勾配層の発光層に対する障壁作用を及ぼす障壁層としての作用と相俟って、本発明に係わる発光素子用積層構造体からは高強度の発光をもたらす発光素子、ランプ及び光源を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態を示す発光素子用積層構造体の断面模式図である。
【図２】第１実施例に記載のＬＥＤの平面模式図である。
【図３】図２に掲示したＬＥＤの破線Ｘ−Ｘ’に沿った断面模式図である。
【図４】第２実施例に記載のＬＥＤの断面模式図である。
【図５】第３実施例に記載のＬＥＤの断面模式図である。
【図６】本発明に係わるランプの断面構造を例示する模式図である。
【符号の説明】
１Ａ、２Ａ、３Ａ、４Ａ発光素子用積層構造体
２Ｂ、３Ｂ、４Ｂ発光素子（ＬＥＤ）
１１基板
１２ヘテロ接合発光部
１３表面側電極
１４基板裏面電極
１５台座
１６碗体
１７、１８端子
１９封止樹脂
１０１単結晶基板
１０２緩衝層
１０３障壁層
１０４発光層
１０５上部障壁層
１０６表面電極
１０７裏面電極[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention provides a light-emitting layer composed of a III-V compound semiconductor containing gallium (Ga) (a gallium-containing III-V compound semiconductor) and a III-V compound semiconductor containing boron (B) (a boron-containing III-V compound semiconductor). TECHNICAL FIELD The present invention relates to a laminated structure for a light-emitting element including a barrier layer made of a group III compound semiconductor) and a technique for forming a light-emitting element, a lamp, and a light source from the laminated structure.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a light emitting element including a III-V compound semiconductor containing gallium (Ga) as a light emitting layer, for example, a green light emitting diode (LED) having gallium phosphide (GaP) as a light emitting layer has been known. (Iwao Teramoto, "Introduction to Semiconductor Devices," Baifukan Co., Ltd., first edition, published on March 30, 1995, pp. 118-121.) As another conventional example, gallium arsenide phosphide (GaAs) is used._1-XP_X: 0 ≦ X ≦ 1) A yellow band LED is known (see “General Description of Semiconductor Devices”, pp. 114-116). Each of these light-emitting elements having a gallium-containing III-V compound semiconductor layer as a light-emitting layer, which has been practically used, is composed of a laminated structure having a light-emitting portion having a pn junction type single (homo) junction structure. It is customary.
[0003]
Boron phosphide (BP), a type of III-V compound semiconductor, has a low degree of ionic bond of 0.006 (Philips, “Semiconductor Bonding Theory” (Yoshioka Shoten Co., Ltd., published July 25, 1985) , 3rd printing), pages 49-51), in particular, a feature that a p-type conductive semiconductor layer can be easily obtained. Such a feature of boron phosphide (BP) is advantageous in, for example, easily forming a pn junction structure. For this reason, a technique for forming a light-emitting element such as a light-emitting diode (LED) or a laser diode (LD) from a stacked structure including a boron phosphide-based III-V compound semiconductor layer has been disclosed (particularly). See JP-A-2-288388). Conventionally, a laminated structure including a boron phosphide-based semiconductor layer is configured using, as a substrate, a group III-V compound semiconductor single crystal such as gallium phosphide (GaP) and gallium nitride (GaN) (1). ▼ Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-275682 / Japanese Patent No. 2809690 and (2) Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-247745). As another substrate material, silicon (Si) single crystal (silicon) is known (see US Pat. No. 6,069,021). Further, silicon carbide (SiC) is also used as a substrate material (see the above-mentioned Japanese Patent No. 2809690).
[0004]
Conventionally, boron phosphide-based semiconductor layers have been used as various functional layers. For example, the invention described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-242569 discloses a current confinement type green laser diode (LD) having a boron phosphide layer as a current blocking layer. There is also a known example in which a boron phosphide layer is provided in a laminated structure as a contact layer for forming an ohmic electrode (see JP-A-10-242568). Further, an LED provided with a boron phosphide layer as a buffer layer is also known (see JP-A-10-242514). In particular, there is an example in which a so-called low-temperature buffer layer formed of a boron phosphide-based semiconductor layer is formed at a relatively low temperature in order to better alleviate the lattice mismatch between the substrate material and the laminated structure constituting layer. It is known (see U.S. Pat. No. 6,069,021 mentioned above). For example, on a single crystal substrate of silicon (Si) or gallium phosphide (GaP), boron-gallium phosphide (B_XGa_1-XP: 0 ≦ X ≦ 1) or boron / indium phosphide (B_XIn_1-XA technique for forming a buffer layer based on P: 0 ≦ X ≦ 1) has been disclosed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-266006).
[0005]
On the other hand, conventionally, the band gap of boron phosphide (BP) at room temperature is about 2 eV ((1) RCA Review, 25 (1964), pp. 159 to 167, (2) Z. anorg.allg.chem., 349 (1967), pp. 151-157, and {circle around (3)} "General Description of Semiconductor Devices", p. 28). There is also disclosed a technique for forming a BP-based mixed crystal having a higher band gap using boron phosphide having a band gap as low as about 2 eV as a base material. For example, an undoped aluminum-gallium nitride mixed crystal (Ga_0.5Al_0.5N) A bandgap of 2.7 eV is obtained from the superlattice structure of the thin layer (layer thickness = 1 nm) and the boron phosphide thin layer (layer thickness = 1 nm) (see Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 10-247745). ). Also, for example, Ga_0.25Al_0.25B_0.50N_0.60P_0.40A semiconductor layer having a forbidden band width of 2.7 eV is obtained as a quinary mixed crystal (see JP-A-2-288371).
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In an LED having a gallium-containing III-V compound semiconductor layer as a light-emitting layer, if the light-emitting portion has a double (DH) structure instead of the conventional single (SH) structure, a "light confinement" effect or " Due to the "carrier (carrier) confinement" effect, the emission intensity is increased, and realization of a high-brightness LED is expected (see the above "General Description of Semiconductor Devices", pp. 124-126). For example, a means for forming a light emitting portion having a DH structure by bonding a GaAlBNP quaternary mixed crystal having an increased band gap according to the above-described conventional means to a light emitting layer as a barrier layer may be considered. However, it is well known that it is difficult to stably maintain the composition of the constituent elements of a multi-element mixed crystal such as a quinary mixed crystal in which the composition of the constituent elements is stable (see “General Description of Semiconductor Devices”, 24 Page).
[0007]
Further, in a conventional technique for obtaining a semiconductor layer having a higher forbidden band width by using boron phosphide having a forbidden band width of about 2 eV as a base material, ultra-thin films having a thickness of about several nm are alternately laminated periodically to obtain an ultra-thin layer. It must have a lattice structure, and a complicated and redundant film forming operation is required to stably control the layer thickness and composition of the ultra-thin film. Further, a special film forming apparatus for forming a superlattice structure is also required (see the above-mentioned JP-A-2-288371).
[0008]
Recently, a technique for obtaining boron phosphide (BP) having an unprecedentedly high bandgap at room temperature by a simple vapor phase growth method capable of avoiding the complexity of the conventional growth operation has been developed. Also, gallium arsenide phosphide (GaAs) is used as a cladding layer by using boron phosphide having a high band gap at room temperature or a mixed crystal composed of the same as a base material._1-XP_X: 0 ≦ X ≦ 1) A technique for forming a heterojunction structure with a light emitting layer has been proposed.
[0009]
However, even in the technique of forming a heterojunction between the boron-containing III-V compound semiconductor layer and the gallium-containing III-V compound semiconductor light emitting layer, the light emitting layer has excellent crystallinity sufficient to provide higher emission intensity. There has been a demand for a junction structure for obtaining a gallium III-V compound semiconductor light emitting layer. That is, for example, GaAs having a high emission intensity_1-XP_XThere has been a demand for a further improvement in technology for forming a barrier layer suitable for providing a system light emitting device from a boron-containing group III-V compound semiconductor.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to overcome the above-mentioned problems of the prior art, and provides a light-emitting layer composed of a high-quality gallium-containing group III-V compound semiconductor layer in a boron-containing group III-V compound semiconductor layer stably provided. In addition to providing a structure, a stacked structure for a light-emitting element, a light-emitting element, a lamp, and a light source provided with a boron-containing group III-V compound semiconductor layer having the structure are provided.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention relates to a single crystal substrate, a buffer layer laminated on the substrate, and a III-V compound semiconductor containing boron (B) laminated on the buffer layer (a boron-containing III-V compound semiconductor). ) And a light emitting layer comprising a III-V compound semiconductor containing gallium (Ga) (a gallium III-V compound semiconductor containing gallium). In addition, the present invention particularly provides a light-emitting element laminated structure having the features described in the following items (1) to (6).
(1) The barrier layer has a composition ratio of boron (B) lattice-matched to the buffer layer on the surface facing the buffer layer, and boron (B) lattice-matched to the light-emitting layer on the surface facing the light-emitting layer. A) a laminated structure for a light-emitting element, comprising a composition gradient layer of a boron-containing group III-V compound semiconductor having a composition ratio and a gradient of boron (B) composition ratio in the direction of increasing the layer thickness. .
(2) The light emitting layer made of a gallium-containing group III-V compound semiconductor is made of the same material as the boron-containing group III-V compound semiconductor constituting the surface of the barrier layer facing the light emitting layer. The laminated structure for a light emitting device according to (1).
(3) The light emitting layer is made of boron arsenide / gallium (B_YGa_1-YAs_1-ZP_Z: 0 ≦ Y <1, 0 <Z ≦ 1), wherein the laminated structure for a light emitting element according to the above (1) or (2),
(4) A barrier layer made of a boron-containing group III-V compound semiconductor is provided on a buffer layer made of a boron-containing group III-V compound semiconductor having a composition lattice-matched to a single crystal material forming a substrate. The laminated structure for a light emitting device according to any one of the above (1) to (3), which is characterized by the following.
(5) The single crystal substrate is made of silicon single crystal (silicon), and the barrier layer made of a boron-containing group III-V compound semiconductor layer is made of boron phosphide-gallium (B_XGa_1-XP: 0 <X ≦ 1), wherein the laminated structure for a light emitting device according to any one of the above (1) to (4), wherein:
(6) The single crystal substrate is made of silicon single crystal (silicon), and the barrier layer made of a boron-containing group III-V compound semiconductor layer is made of boron phosphide-indium (B_XIn_1-XP: 0 <X ≦ 1), wherein the laminated structure for a light emitting device according to any one of the above (1) to (4), wherein:
[0012]
The present invention also utilizes the above-mentioned laminated structure,
(7) A light-emitting element comprising the light-emitting element laminated structure according to any one of (1) to (6).
(8) The light-emitting element according to (7), wherein the light-emitting element and an electronic component for controlling the intensity of light emission from the light-emitting element are provided on the same single crystal substrate.
(9) The light-emitting device according to (8), wherein the electronic component is provided on a barrier layer made of a boron-containing group III-V compound semiconductor.
I will provide a. Further, the present invention
(10) A lamp comprising the light-emitting device according to any one of (7) to (9).
(11) A light source comprising the lamp according to (10). I will provide a.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A first embodiment according to the present invention will be described with reference to a schematic cross-sectional view of a laminated structure 1A shown in FIG. 1 as an example. The laminated structure 1A according to the first embodiment is configured, for example, as the substrate 101, n-type or p-type silicon having a {100}, {110}, or {111} crystal plane as a main surface. Silicon having a surface inclined from the main surface toward a specific crystal orientation can also be used as the substrate 101. For example, silicon having {100} as a main surface and having a surface inclined at several degrees to several tens of degrees with respect to the [110] crystal orientation can be used as the substrate 101. n-type or p-type gallium phosphide (GaP) or gallium arsenide (GaAs) or boron phosphide (BP) (1) J. Electrochem. Soc., 120 (1973), pp. 802-806. {Circle around (2)} U.S. Pat. No. 5,042,043) can also be used as the substrate 101.
[0014]
When the conductive crystal material is used as the substrate 101, an ohmic electrode 107 of either positive or negative polarity can be laid on the back surface of the substrate 101 depending on the electrical conductivity of the substrate 101. Therefore, the conductive crystal substrate is a complicated structure in which an insulating crystal such as sapphire is used as a substrate, and a part of the laminated structure is removed to expose the surface of the conductive constituent layer and form an electrode. It eliminates the need for a simple process (see JP-A-10-321907) and provides convenient technical means for easily configuring a light-emitting element. In particular, the low-resistance conductive single-crystal substrate 101 having a resistivity of 10 milliohms (mΩ) or less, more desirably 1 mΩ or less, is an LED in which the forward voltage (so-called Vf) is kept low, Since it is excellent, it is effective for configuring an LD that provides stable oscillation.
[0015]
It is preferable that a buffer layer 102 be provided between the single crystal substrate 101 and the barrier layer 103. The buffer layer 102 is made of, for example, a general formula B_αAl_βGa_γIn_1- _α ₋ _β ₋ _γP_1- _δAs_δ(0 <α ≦ 1, 0 ≦ β <1, 0 ≦ γ <1, and 0 <α + β + γ ≦ 1, 0 ≦ δ <1). Also, for example, the general formula B_αAl_βGa_γIn_1- _α ₋ _β ₋ _γP_1- _δN_δ(0 <α ≦ 1, 0 ≦ β <1, 0 ≦ γ <1, and 0 <α + β + γ ≦ 1, 0 <δ <1) can be composed of a boron phosphide-based semiconductor containing nitrogen (N). . Preferably, it is composed of a binary crystal or a ternary mixed crystal which has a small number of constituent elements and can be easily composed. For example, monomeric boron phosphide (BP), aluminum phosphide / boron mixed crystal (B_αAl_βP: 0 <α ≦ 1, 0 ≦ β <1, and α + β = 1), boron phosphide / gallium mixed crystal (B_αGa_δP: 0 <α ≦ 1, 0 ≦ γ <1, and α + δ = 1) or a mixed crystal of boron phosphide and indium (B_αIn_1- _αP: 0 <α ≦ 1).
[0016]
In particular, when the buffer layer 102 is formed of a crystal layer having a composition lattice-matched to the single crystal material forming the substrate 101, the lattice mismatch between the single crystal substrate 101 and the constituent layers of the laminated structure 1A such as the barrier layer 103 is formed. The advantage is that the consistency is relaxed. Therefore, an effect is particularly obtained in obtaining the barrier layer 103 or the light emitting layer 104 having excellent crystallinity. As a constituent material of the buffer layer 102 suitable for achieving this effect, boron-gallium phosphide (B) which lattice-matches with silicon (lattice constant {5.431}) is used._0.02Ga_0.98P: lattice constant {5.431}) (see the above-mentioned JP-A-11-266006). In addition, boron phosphide / gallium (B_0.32Ga_0.68P: lattice constant {5.450}, boron arsenide / gallium (B_0.23Ga_0.77From As: lattice constant {5.450}, etc., it is possible to form a boron-containing III-V compound semiconductor mixed crystal layer that performs lattice matching with a GaP single crystal (lattice constant {5.450}) substrate (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-22221). Gazette).
[0017]
When the buffer layer 102 is formed from a thin film layer made of amorphous or polycrystalline, the barrier layer 103 is prevented from peeling off from the surface of the substrate 101 due to a difference in thermal expansion coefficient between the material forming the substrate 101 and the material forming the barrier layer 103. It is effective in preventing. In particular, when the buffer layer 102 is made of the same boron-containing III-V compound semiconductor material as that of the barrier layer 103, a significant effect can be obtained in preventing the barrier layer 103 from peeling off. Amorphous or polycrystalline B_αAl_βGa_γIn_1- _α ₋ _β ₋ _γP_1- _δAs_δ(0 <α ≦ 1, 0 ≦ β <1, 0 ≦ γ <1, and 0 <α + β + γ ≦ 1, 0 ≦ δ <1) The buffer layer 102 is formed, for example, by the MOCVD method (Inst. Phys. Conf. Ser. , No. 129 (IOP Publishing Ltd., 1993), pp. 157-162), and can be formed at a relatively low temperature of 250 ° C. to 750 ° C. At a low temperature of about 500 ° C. or lower, a boron-containing group III-V compound semiconductor layer mainly composed of amorphous is easily obtained. In a higher temperature range of about 500 ° C. to 750 ° C., a polycrystalline boron-containing group III-V compound semiconductor layer is obtained. The thickness of the thin film layer forming the amorphous or polycrystalline buffer layer 102 is preferably about 1 nm or more and 100 nm or less, and more preferably 2 nm or more and 50 nm or less. Whether the thin film layer is an amorphous layer or a polycrystalline layer can be known from, for example, analysis of a diffraction image by a general X-ray diffraction method or electron beam diffraction method.
[0018]
The amorphous or polycrystalline buffer layer 102 also defines the crystal planes constituting the upper barrier layer 103 irrespective of the plane indices of the crystal planes constituting the surface of the single crystal material constituting the substrate 101. It has an action to specify the target. For example, when the barrier layer 103 is provided with an amorphous or polycrystalline buffer layer 102 provided on the surface of a cubic substrate made of silicon or the like, a crystal layer mainly composed of {110} crystal planes becomes stable. Obtained. The crystal plane having a plane index of {110} ({110} crystal plane) includes (110), (-1,1,0), (-1, -1,0), (1, -1,0) ) Is a generic term for crystal planes equivalent to (110). The crystal plane constituting the buffer layer 102 or the barrier layer 103 can be identified by analyzing a normal X-ray diffraction pattern or an electron beam diffraction pattern. A boron-containing group III-V compound semiconductor layer mainly composed of a {110} crystal plane, for example, a boron phosphide layer can be formed at a temperature in the range of about 750 ° C. to 1200 ° C. Film formation at a high temperature exceeding 1200 ° C. significantly generates pores (pits) due to volatilization of the constituent elements of the boron-containing group III-V compound semiconductor layer, particularly the group V constituent elements, and the semiconductor having a smooth surface is formed. It hinders the stable outcome of layers. A cubic zinc-blende crystal-type boron-containing group III-V compound semiconductor exhibits a clear cleavage property at [110] (Takato Kadota, "Electronic and Information Engineering Course 12 Device Process", January 15, 1993) (Japanese edition, first edition published by Baifukan Co., Ltd.), p. 161). Therefore, the boron-containing group III-V compound semiconductor layer having the {110} crystal plane can be easily cleaved. Therefore, a laminated structure having a crystal layer mainly composed of a {110} crystal plane has an advantage that, for example, a rectangular parallelepiped laser diode having a cleavage plane as a resonance end face can be easily configured.
[0019]
On the buffer layer 102, for example, a general formula B_αAl_βGa_γIn_1- _α ₋ _β ₋ _γP_1- _δAs_δ(0 <α ≦ 1, 0 ≦ β <1, 0 ≦ γ <1, and 0 <α + β + γ ≦ 1, 0 ≦ δ <1), or general formula B_αAl_βGa_γIn_1- _α ₋ _β ₋ _γP_1- _δN_δ(0 <α ≦ 1, 0 ≦ β <1, 0 ≦ γ <1, and 0 <α + β + γ ≦ 1, 0 <δ <1) barrier layer 103 made of a boron-containing III-V compound semiconductor layer Is provided. The barrier layer 103 is composed of a composition gradient layer having a boron composition ratio which is lattice-matched with the buffer layer 102 at the junction interface with the substrate 101 and lattice-matched with the light-emitting layer 104 at the junction interface with the light-emitting layer 104. The composition gradient layer in which the barrier layer 103 is lattice-matched to both the buffer layer 102 and the light emitting layer 104 can contribute to providing a high quality light emitting layer 104 having a low density of crystal defects such as misfit dislocations and stacking faults. The boron-containing group III-V compound semiconductor composition gradient layer has a thickness increasing direction as seen in the conventional boron-containing group III-V compound semiconductor layer constituting the buffer layer (see JP-A-2000-22211). It can be configured in any manner that increases or decreases the boron composition ratio uniformly, stepwise, or non-linearly. For example, when the light emitting layer 104 made of gallium phosphide (GaP) is provided on the substrate 101 made of silicon, the boron composition ratio (= X) at the interface with the silicon substrate 101 is set to 0.02, and the interface with the GaP light emitting layer is made. With a gradient of boron (B) composition ratio (= α) so that the boron composition ratio is linearly reduced to 0 (zero)._αGa_δP: α = 0.02 → 0, correspondingly δ = 0.98 → 1.00, α + δ = 1) The composition gradient layer causes a lattice mismatch between the substrate 101 or the buffer layer 102 and the light emitting layer 104. It can effectively act as a relaxing functional layer.
[0020]
In the fourth embodiment of the present invention, it is preferable that the barrier layer 103 having a composition gradient be provided on the buffer layer 102 from a boron-containing group III-V compound semiconductor layer lattice-matched to the single crystal material forming the substrate 101. I do. For example, the substrate 101 is made of silicon (lattice constant {5.431}), and the buffer layer 102 is made of boron phosphide / gallium (B_0.02Ga_0.98P: the lattice constant {5.431}), and the barrier layer 103 has a boron composition ratio (= X) of 0.02 (= 2%) at the junction interface with the buffer layer 102._XGa_1-XAn example in which a P composition gradient layer is used is given. When the buffer layer 102 is made of a material that lattice-matches with the single crystal material of the substrate 101, the effect of suppressing crystal defects such as misfit dislocations due to lattice mismatch is particularly high. An excellent and high quality barrier layer 103 and thus a light emitting layer 104 can be provided.
[0021]
The barrier layer 103 is composed of a composition gradient layer having a boron composition ratio giving a larger band gap than the light emitting layer 104. At least a region on the front surface side opposite to the buffer layer 102 opposite to the surface facing the light emitting layer 104 is formed of a boron-containing group III-V compound semiconductor layer having a band gap exceeding the light emitting layer 104. The barrier layer 103 having such a high band gap can be preferably formed of a boron phosphide (BP) semiconductor. For example, the band gap at room temperature obtained by setting the growth rate and the supply ratio of the raw materials of the group III constituent element and the group V constituent element (so-called V / III ratio) within the specified range is 3. A monomer boron phosphide (BP) of 0 ± 0.2 eV can be used as the base material (see Japanese Patent Application No. 2001-158282). For example, if a band gap of gallium phosphide (GaP) is mixed with gallium phosphide (GaP) based on a monomer BP having a band gap of 3.0 eV at room temperature, the band gap becomes 2.3 eV (a band gap of GaP). (Equivalent) to 3.0 eV (equivalent to the BP bandgap)._XGa_1-XP: 0 ≦ X ≦ 1) A composition gradient layer can be formed. Incidentally, even if the conventional boron phosphide (BP) having a band gap of about 2.0 eV is mixed with GaP, B having a small band gap of 2.0 eV or more and 2.3 eV or less is obtained._XGa_1-XP only results. That is, for example, GaAs_1-ZP_ZA barrier layer that exerts a barrier effect on the entire light emitting layer composed of (0 ≦ Z ≦ 1) cannot be formed. The band gap is, for example, a complex dielectric constant (ε, which is given by a product value of a refractive index (= n) and an extinction coefficient (= k)).₂= 2 · nk ·) dependent on the wavelength (photon energy).
[0022]
The light emitting layer 104 provided on the barrier layer 103 is formed of, for example, a gallium-containing group III-V compound semiconductor layer containing gallium (Ga) and phosphorus (P). As an example, gallium phosphide (GaAs)_1-ZP_Z: 0 ≦ Z ≦ 1) to form the light emitting layer 104. The light-emitting layer 104 that emits red band light from pure green (wavelength: 555 nm) can be formed from GaP. For example, a GaP layer to which zinc (Zn) and oxygen (O) are added can be used as the light emitting layer 104 that emits red light. In addition, GaAs_1-ZP_ZFrom the mixed crystal, for example, the light emitting layer 104 that emits light in a yellow band or an orange band can be formed. Also, for example, n-type GaAs to which nitrogen (N) is added_1-XP_XThe layer is useful as a light-emitting layer 104 that can provide high-intensity light emission by the action of an isoelectronic trap of nitrogen (N).
[0023]
The light-emitting layer 104 can also be formed of a boron-containing group III-V compound semiconductor layer that forms a surface of the barrier layer 103 that faces the light-emitting layer 104. The light-emitting layer 104 can be formed by further laminating a boron-containing group IIIV compound semiconductor layer having a desired thickness on the surface of the composition gradient layer having a composition lattice-matched to the light-emitting layer. If the light emitting layer 104 made of the same material as the barrier layer 103 is stacked on the surface of the barrier layer 103, the crystal defects caused by the lattice mismatch, especially due to the matching of the lattice constants of the two layers 103 and 104, The light-emitting layer 104 with low density can be obtained. As a good example of the second embodiment of the present invention, both the barrier layer 103 and the light emitting layer 104 are made of conductive boron-gallium phosphide (B_αGa_δP: 0 <α ≦ 1, 0 ≦ δ <1, α + δ = 1). Further, both layers 103 and 104 are made of a mixed crystal of boron phosphide and indium (B_αIn_1- _αP: 0 <α ≦ 1).
[0024]
The light-emitting layer 104 is formed of boron arsenide / gallium (B_YGa_1-YAs_1-ZP_Z: 0 ≦ Y <1, 0 <Z ≦ 1). B_YGa_1-YAs_1-ZP_Z(0 ≦ Y <1, 0 <Z ≦ 1), if the composition ratio (= Y) of boron (B) is increased, gallium arsenide phosphide (GaAs) which is a constituent material of a conventional light emitting layer is obtained._1-ZP_Z: 0 ≦ Z ≦ 1) A gallium-containing III-V compound semiconductor having a band gap of not less than 0 can be formed. Therefore, these are GaAs_1-ZP_ZIt can be suitably used as the light emitting layer 104 that emits light having a wavelength shorter than (0 ≦ Z ≦ 1). As a good example of the third embodiment of the present invention, it is preferable that the light-emitting layer has a lattice matching with silicon (lattice constant {5.431})._0.02Ga_0.98There is an example that is composed of P. B_YGa_1-YAs_1-ZP_ZBoth boron phosphide (BP) and arsenic phosphide (BAs), which are mixed crystal base materials, are indirect transition type III-V group compound semiconductors (see “General Description of Semiconductor Devices”, 28, above). Page). Accordingly, an element having a high electronegativity such as nitrogen (N) added as an isoelectronic trap B_YGa_1-YAs_1-ZP_ZThe mixed crystal layer can be advantageously used as the light emitting layer 104 that provides high intensity light emission.
[0025]
In the fifth embodiment of the present invention, in particular, the substrate 101 is made of silicon, and the intermediate barrier layer 103 between the substrate 101 and the light emitting layer 104 is made of the same n-type or p-type B type as silicon of the substrate 101._αGa_δIt is composed of P (0 <α ≦ 1, 0 ≦ δ <1, α + δ = 1) layers. In the sixth embodiment of the present invention, in particular, the substrate 101 is made of silicon, and the barrier layer 103 is made of the same n-type or p-type B type as silicon of the substrate._αIn_1- _αIt is composed of P (0 <α ≦ 1) layers. B_αGa_δP (0 <α ≦ 1, 0 ≦ δ ≦ 1) and B_αIn_1- _αP (0 <α ≦ 1) depends on the composition ratio of boron, and silicon (lattice constant {5.431}) forming the substrate 101 and B_YGa_1-YAs_1-ZP_ZThere is an advantage that a composition gradient layer lattice-matched to both of the light emitting layers can be easily formed. Examples of a p-type dopant for obtaining the p-type barrier layer 103 include Group II elements such as zinc (Zn), magnesium (Mg), and beryllium (Be). Examples of the n-type dopant include Group IV elements such as silicon (Si) and tin (Sn), and Group VI elements such as sulfur (S), selenium (Se), and tellurium (Te).
[0026]
When the barrier layer 103 according to the present invention is provided above the light emitting layer 104, a double (DH) junction type light emitting portion can be formed. Further, for example, it can be used as a barrier layer for forming a light emitting layer having a quantum well structure. Further, it can be used as a window layer or the like provided in the LED in the direction of taking out light emission to the outside and transmitting light emission to the outside.
[0027]
In the seventh embodiment of the present invention, a light emitting device is configured using the laminated structure 1A as a base material. For example, the LED is configured such that a front ohmic electrode 106 is provided on the surface light emitting layer 104 constituting the laminated structure 1A, and a back ohmic electrode 107 is provided on the back surface of the substrate 101. If the substrate 101 is made of a conductive single crystal material, an ohmic electrode is provided on the back surface, and the electrode forming process for manufacturing a light emitting element can be simplified. The p-type ohmic electrode can be made of, for example, a gold-zinc (Au-Zn) alloy, a gold-beryllium (Au-Be) alloy, or the like. Further, an n-type ohmic electrode can be formed from a gold alloy such as a gold-germanium (Au-Ge) alloy, a gold-indium (Au-In) alloy, and a gold-tin (Au-Sn) alloy. In order to form an electrode exhibiting good ohmic contact, the surface electrode 106 may be provided on a well-conductive contact layer. The boron-containing group III-V compound semiconductor layer having a high band gap according to the present invention is suitable for forming a contact layer for the surface electrode 106 that can transmit light in the extraction direction.
[0028]
In addition, an integrated composite light emitting device can be obtained by providing electronic components attached to the substrate 101 of the laminated structure 1A for controlling the operation of the light emitting device. Examples of electronic components for operation control include MES (Schottky metal junction type), MOS type (metal / oxide / semiconductor junction type), pn junction type field effect transistor (FET), and pn junction type. Examples include a surge diode and a light receiving element. For example, if an FET is attached, for example, depending on whether a signal is input to a gate electrode, one of an operation of lighting and an extinguishing operation is selectively performed on the light emitting element, and the operation of the light emitting element is performed by an electric signal. The emission intensity can be changed instantaneously. In addition, if a surge diode is provided, an inadvertent input of a large current to the light emitting element can be avoided, which is effective in extending the stable operation and operating life of the light emitting element. If a light-receiving element is attached, the light-emitting intensity of the light-emitting element measured by the light-receiving element is transmitted as an electrical signal to, for example, an FET, and the light-emitting intensity of the light-emitting element is modulated through a current amplification action of the FET. A composite element can be constructed. These electronic functional components can be provided, for example, by being attached to the surface of a substrate 101 made of silicon or the like.
[0029]
The above-mentioned electronic component for controlling the operation of the light emitting element is provided directly on the surface of the substrate 101 made of silicon or the like as described in the eighth embodiment of the present invention, and the control of the conduction type is easy. It can be provided on the boron-containing group III-V compound semiconductor layer that forms the buffer layer 102 or the barrier layer 103 that can be performed. An example of the ninth embodiment of the present invention will be described below. After the laminated structure 1A is formed once, the light emitting layer 104 is removed only in a partial region of the laminated structure 1A by, for example, plasma etching to expose the surface of the barrier layer 103. Next, for example, a boron-containing group III-V compound semiconductor layer having a conductivity type opposite to that of the barrier layer 103 is bonded to the exposed surface of the barrier layer 103. If a boron-containing III-V compound semiconductor layer is used in this manner, a pn junction structure can be easily formed. Therefore, for example, a pn junction Zener diode that protects a light-emitting element from being damaged by a surge can be provided. It can be easily configured.
[0030]
A high-intensity lamp can be formed from the light-emitting element according to the present invention. For example, the lamp according to the tenth embodiment of the present invention can be constituted by the following steps. As illustrated in FIG. 6, an LED 10 having a boron-containing group III-V compound semiconductor layer 12 according to the present invention on a substrate 11 is plated with a metal such as silver (Ag) or aluminum (Al) on a pedestal 15. It is fixed to the center of the bowl 16 with a conductive bonding material. Thus, the unipolar electrode 14 provided on the bottom surface of the substrate 11 is electrically connected to one terminal 17 attached to the pedestal 15. Further, the electrode 13 provided on the light emitting section 12 having the hetero-junction structure is connected to the other terminal 18 attached to the pedestal 15. A lamp can be formed by sealing the bowl 16 with a general semiconductor sealing epoxy resin 19 so as to surround it. In addition, a small-sized LED having a size of about 200 μm to about 300 μm square can be formed in order to easily cleave the stacked structure having the stacked structure according to the present invention. A suitable small light emitting diode lamp can be configured.
[0031]
In the eleventh embodiment of the present invention, a light source is configured by assembling LEDs or resin-sealed diode lamps. For example, a plurality of LEDs can be electrically connected in parallel to form a constant voltage drive type light source. Also, a constant current drive type light source can be configured by electrically connecting diode lamps in series. Light sources using these LEDs, unlike conventional incandescent lamp light sources, do not involve much heat radiation when turned on, and thus can be particularly usefully used as cold light sources. For example, it can be used as a light source for display of frozen foods. Further, for example, a light source suitably used for an outdoor display, a traffic light for presenting a traffic signal, a direction indicator for automobile use, a lighting device, or the like can be configured.
[0032]
[Action]
Single crystal substrate and boron arsenide / gallium arsenide (B_YGa_1-YAs_1-ZP_Z0 ≦ Y <1, 0 <Z ≦ 1) The barrier layer made of a boron-containing group III-V compound semiconductor provided between the light emitting layer and the light emitting layer has a lattice mismatch between the single crystal material forming the substrate and the light emitting layer. It has the effect of relaxing the properties and providing a good quality light emitting layer with excellent crystallinity.
[0033]
In particular, boron arsenide / gallium phosphide (B_YGa_1-YAs_1-ZP_Z0 ≦ Y <1, 0 <Z ≦ 1) The barrier layer made of a boron-containing group III-V compound semiconductor having the same lattice constant as that of the light-emitting layer has an effect of providing a high-quality light-emitting layer having excellent crystallinity. Have.
[0034]
【Example】
(First embodiment)
A multilayer structure having a single (SH) heterojunction structure of a boron phosphide (BP) crystal layer and a gallium phosphide (GaP) single crystal layer on a silicon (Si) single crystal substrate, and a multilayer structure thereof The present invention will be specifically described by taking as an example a case where a GaP-based LED is configured.
[0035]
FIG. 2 shows a schematic plan view of an LED 2B according to the present embodiment. FIG. 3 is a schematic diagram showing a cross-sectional structure of the LED 2B along the broken line X-X 'in FIG. 2 and 3, the same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
[0036]
The light emitting element laminated structure 2A according to the present invention was configured such that the substrate 101 was a boron (B) -doped p-type {100} -Si single crystal. The crystal plane constituting the surface of the substrate 101 is a {100} plane inclined at 2 degrees (°) in the [110] direction. On the surface of the substrate 101, triethyl boron ((C₂H₅)₃B) / phosphine (PH₃) / Hydrogen (H₂A) A buffer layer 102 made of boron phosphide mainly composed of amorphous was deposited at 350 ° C. in an as-grown state by a normal atmospheric pressure MOCVD method. The thickness of the buffer layer 102 was set to about 12 nm.
[0037]
On the surface of the buffer layer 102, (C₂H₅)₃B / trimethylindium ((CH₃)₃In) / PH₃/ H₂P-type B doped with magnesium (Mg) at 800 ° C by MOCVD method_XIn_1-XA P composition gradient layer was laminated as a barrier layer 103. p-type B_XIn_1-XThe boron composition ratio (= X) of the P composition gradient layer was linearly decreased so as to be 1.00 at the bonding interface with the buffer layer 102 and 0.32 at the surface. B used as lower cladding layer_XIn_1-XThe P composition gradient layer 103 mainly consisted of {110} crystal planes. As a doping source of magnesium (Mg), bis-cyclopentadienyl magnesium (molecular formula: bis- (C₅H₄)₂Mg) was used. P-type B forming lower barrier layer 103_XIn_1-XThe carrier concentration of the P composition gradient layer is about 8 × 10¹⁸cm^-3And The layer thickness was about 1000 nm. Since the buffer layer 102 was used as an underlayer, p-type B_XIn_1-XThe P (X = 1.00 → 0.32) barrier layer 103 was a continuous film without cracks.
[0038]
p-type B_XIn_1-XA light emitting layer 104 made of n-type gallium phosphide (GaP) was stacked on the barrier layer 103 made of the P composition gradient layer. The light emitting layer 104 has a surface having a composition of B that lattice-matches with GaP (lattice constant {5.450})._0.32In_0.68Since the structure was provided on the P barrier layer 103, a continuous film without cracks was obtained. Silicon (Si) is used as an n-type dopant, and the carrier concentration is about 1 × 10¹⁷cm^-3And The layer thickness of the light emitting layer 104 was about 180 nm. The light emitting layer 104 is made of trimethylgallium ((CH₃)₃Ga) / PH₃/ H₂  When growing at 800 ° C. by the normal atmospheric pressure MOCVD method, ammonia (NH₃) Was used to dope nitrogen (N) as an isoelectronic trap. The concentration of nitrogen atoms in the GaP light emitting layer 104 is about 7 × 10 3 according to secondary ion mass spectrometry (SIMS).¹⁸Atom / cm³It was quantified.
[0039]
On the surface of the light emitting layer 104, a surface electrode 106 also serving as a pedestal electrode for circular connection was arranged. The surface electrode 106 was made of a gold (Au) / germanium (Ge) vacuum deposited film. The diameter of the surface electrode 106 was 120 μm. Further, on substantially the entire back surface of the p-type Si substrate 101, a back surface ohmic electrode 107 was arranged to constitute the LED 1B. The p-type back electrode 107 was formed of an aluminum (Al) vacuum deposited film. Next, the multilayer structure 2A having a substrate of a Si single crystal 101 having a {100} crystal plane as a main surface is cleaved along the [110] crystal orientation to form a square LED chip 2B having a side of about 300 μm. .
[0040]
When an operating current of 20 milliamperes (mA) was passed between the front and rear electrodes 106 to 107 in the forward direction, green light having an emission center wavelength of about 557 nm was emitted from the LED 2B. The luminance in a chip state measured using a general integrating sphere was about 6 millicandela (mcd), and an SH junction type green LED with high emission intensity was provided. The forward voltage (so-called Vf) obtained from the IV characteristic was about 2.2 V (forward current = 20 mA). The reverse voltage was about 8 V (reverse current = 10 μA), and an LED with a high breakdown voltage was provided.
[0041]
(Second embodiment)
On a gallium phosphide (GaP) single crystal substrate, {110} -boron-gallium (B_XGa_1-XP: 0 ≦ X ≦ 1) Crystal layer and gallium boron phosphide (B_XGa_1-XP) The present invention will be specifically described by taking as an example a stacked structure having a double (DH) heterojunction structure with a light emitting layer and a case where a GaP-based LED is formed from the stacked structure.
[0042]
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the LED 3B according to the present embodiment. 4, the same components as those shown in FIGS. 2 and 3 are denoted by the same reference numerals.
[0043]
The laminated structure 3A for a light emitting element according to the present invention was configured such that a silicon (Si) -doped n-type {100} -GaP single crystal was used as the substrate 101. On the surface of the substrate 101, triethyl boron ((C₂H₅)₃B) / trimethylgallium ((CH₃)₃Ga) / phosphine (PH₃) / Hydrogen (H₂2.) A buffer layer 102 made of polycrystalline boron phosphide (BP) was deposited at 580 ° C. by a normal atmospheric pressure MOCVD method. The thickness of the buffer layer 102 was set to about 30 nm.
[0044]
On the surface of the buffer layer 102, (C₂H₅)₃B / (CH₃)₃Ga / PH₃/ H₂N-type B at 800 ° C by system normal pressure MOCVD_XGa_1-XA P composition gradient layer was deposited as a barrier layer 103. p-type B_XGa_1-XRegarding the boron composition (= X) of the P barrier layer 103, the boron (B) composition ratio was 1.00 at the junction interface with the buffer layer 102, and the boron composition ratio was linearly reduced to 0.05 at the surface. B used as lower cladding layer_XGa_1-XThe P composition gradient layer is composed of B stacked parallel to the surface of the Si substrate._XGa_1-XIt was composed of a {110} crystal plane of P (X = 1.00 → 0.05). Also, {110} B_XGa_1-XThe P barrier layer 103 has a growth rate of 30 nm per minute and a V / III ratio (= PH₃/ (CH₃)₃(B supply ratio) was set to 50, so that the forbidden band width at room temperature determined from the photon energy dependence of the complex dielectric constant was about 3.0 eV. As a doping source of silicon (Si), hydrogen-disilane (Si₂H₆) A mixed gas was used. N-type B forming lower cladding layer_XGa_1-XThe carrier concentration of the P barrier layer 103 is about 8 × 10¹⁸cm^-3And The layer thickness was about 1000 nm. The buffer layer 102 is made of n-type B_XGa_1-XThe P barrier layer 103 was a continuous film without cracks.
[0045]
n-type B_XGa_1-XOn the P barrier layer 103, an n-type boron phosphide / gallium (B_0.05Ga_0.95The light emitting layer 104 made of P) was laminated. Silicon (Si) is used as an n-type dopant, and the carrier concentration is about 1 × 10¹⁷cm^-3And The layer thickness of the light emitting layer 104 was about 150 nm. The light emitting layer 104 is₂H₅)₃B / (CH₃)₃Ga / PH₃/ H₂  When growing at 800 ° C. by the normal atmospheric pressure MOCVD method, ammonia (NH₃) Was used to dope nitrogen (N) as an isoelectronic trap. B_0.05Ga_0.95The concentration of nitrogen atoms in the P light emitting layer 104 is about 8 × 10 10 according to secondary ion mass spectroscopy (SIMS).¹⁸Atom / cm³It was quantified.
[0046]
n-type B_0.05Ga_0.95On the surface of the P light emitting layer 104, (C₂H₅)₃B / PH₃/ H₂  A p-type boron phosphide (BP) layer mainly composed of amorphous was bonded as a barrier layer 105 at 350 ° C. by a system normal pressure MOCVD method. The above biscyclopentadienyl magnesium was used as the p-type dopant. Carrier concentration is about 2 × 10¹⁹cm^-3And the layer thickness was 680 nm. Absorption coefficient (= 4 · π · k / λ: cm) calculated from the wavelength (= λ) and the extinction coefficient (= k) at that wavelength^-1The band gap at room temperature of the BP layer mainly composed of amorphous which constitutes the barrier layer 105 was determined to be about 3.1 eV using the above method. n-type B_XGa_1-XP lower barrier layer 103 and n-type B_0.05Ga_0.95A light emitting portion having a pn junction double hetero (DH) structure was formed using the P light emitting layer 104 and the p-type BP layer as the upper barrier layer 105.
[0047]
At the center of the surface of the upper barrier layer 105 mainly composed of amorphous boron phosphide, a p-type surface electrode 106 also serving as a circular connection pedestal electrode was arranged. The p-type surface electrode 106 was formed of a gold (Au) / zinc (Zn) vacuum deposited film. The diameter of the surface electrode 106 was 130 μm. Further, an n-type back electrode 107 was arranged on substantially the entire back surface of the n-type GaP substrate 101 to constitute an LED 3B. The n-type back electrode 107 was made of a gold (Au) / germanium (Ge) vacuum deposited film. Next, a square LED chip 3B having a {100} crystal plane as a main surface but a GaP single crystal 101 as a substrate is cleaved along the [110] crystal orientation to have a side of about 250 μm. did.
[0048]
When an operating current of 20 milliamperes (mA) was passed between the front and back electrodes 106 to 107 in the forward direction, green light having an emission center wavelength of about 540 nm was emitted from the LED 3B. The luminance in a chip state measured using a general integrating sphere was about 5 millicandela (mcd), and a short-wavelength visible LED with high emission intensity was provided. The forward voltage (so-called Vf) obtained from the IV characteristics was about 2.3 V (forward current = 20 mA). The reverse voltage was about 8 V (reverse current = 10 μA), and an LED with a high breakdown voltage was provided.
[0049]
(Third embodiment)
The present invention will be specifically described with reference to an example in which a GaAsP-based LED is formed on a silicon (Si) single crystal substrate with a buffer layer that is conformally matched to a Si single crystal and a GaAsP LED is formed from the multilayer structure. .
[0050]
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of the LED 4B according to the present embodiment. In FIG. 5, the same components as those shown in FIGS. 2 to 4 are denoted by the same reference numerals.
[0051]
The laminated structure 4A for a light-emitting element according to the present invention was configured such that an antimony (Sb) -doped n-type {100} -Si single crystal was used as the substrate 101. On the surface of the substrate 101, triethyl boron ((C₂H₅)₃B) / trimethylindium ((CH₃)₃In) / phosphine (PH)₃) / Hydrogen (H₂) -Based low-pressure MOCVD at 400 ° C for boron-indium phosphide (B_XIn_1-XThe buffer layer 102 made of P) was formed. The boron (B) composition ratio (= X) was set to 0.32, which provides the same lattice constant ({5.431}) as the Si single crystal. The pressure during film formation is about 5 × 10⁴Pascal (pressure unit: Pa) was used. The thickness of the buffer layer 102 was set to about 10 nm.
[0052]
On the surface of the buffer layer 102, (C₂H₅)₃B / (CH₃)₃In / PH₃/ H₂Si-doped B at 800 ° C by system reduced pressure MOCVD_XIn_1-XA P composition gradient layer was deposited as a barrier layer 103. n-type B_XIn_1-XThe boron composition ratio (= X) of the P composition gradient layer 102 is set such that the boron (B) composition ratio is 0.32 at the bonding interface with the buffer layer 103 and the boron composition ratio is linearly reduced to 0.24 at the surface. Was. B used as lower cladding layer_XGa_1-XThe P (X = 0.32 → 0.24) composition gradient layer is mainly composed of B_XIn_1-XIt was composed of the {110} crystal plane of the P crystal. Also, {110} -B_XIn_1-XThe P composition gradient layer has a growth rate of 20 nm per minute and a V / III ratio (= PH₃/ (CH₃)₃(B supply ratio) was set to 40, so that the forbidden band width at room temperature obtained from the photon energy dependence of the complex dielectric constant was about 2.8 eV. As a doping source of silicon (Si), hydrogen-disilane (Si₂H₆) A mixed gas was used. N-type B forming lower cladding layer_XIn_1-XThe carrier concentration of the P barrier layer 103 is about 2 × 10¹⁸cm^-3And The layer thickness was about 500 nm. The buffer layer 102 is made of n-type B_XIn_1-XThe P barrier layer 103 was a continuous film without cracks.
[0053]
n-type B_XIn_1-XOn the P barrier layer 103, an n-type gallium arsenide arsenide (GaAs)_0.50P_0.50) Was laminated. Silicon (Si) is used as an n-type dopant, and the carrier concentration is about 2 × 10¹⁷cm^-3And The layer thickness of the light emitting layer 104 was about 450 nm. The light emitting layer 104 is₃)₃Ga / arsine (AsH₃) / PH₃/ H₂  When growing at 800 ° C. by the low pressure MOCVD method, ammonia (NH₃) Was used to dope nitrogen (N) as an isoelectronic trap. GaAs_0.50P_0.50The concentration of nitrogen atoms in the light emitting layer 104 is about 5 × 10 5 according to secondary ion mass spectrometry (SIMS).¹⁸Atom / cm³It was quantified.
[0054]
n-type GaAs_0.50P_0.50On the surface of the light emitting layer 104, (C₂H₅)₃B / PH₃/ H₂  A p-type boron phosphide (BP) layer mainly composed of amorphous was bonded as the upper barrier layer 105 at 350 ° C. by the reduced MOCVD method. The above biscyclopentadienyl magnesium was used as the p-type dopant. Carrier concentration is about 2 × 10¹⁹cm^-3And the layer thickness was 1080 nm. Absorption coefficient (= 4 · π · k / λ: cm) calculated from the wavelength (= λ) and the extinction coefficient (= k) at that wavelength^-1The band gap at room temperature of the amorphous BP layer constituting the upper barrier layer 105 obtained by using the above method was about 3.1 eV. n-type B_XIn_1-XP lower barrier layer 103 and n-type GaAs_0.50P_0.50A light emitting portion having a pn junction type double hetero (DH) structure was formed using the light emitting layer 104 and the p-type BP layer as the upper barrier layer 105.
[0055]
At the center of the surface of the upper barrier layer 105 mainly composed of amorphous boron phosphide, a p-type surface electrode 106 also serving as a circular connection pedestal electrode was arranged. The p-type surface electrode 106 was formed of a gold (Au) / zinc (Zn) vacuum deposited film. The diameter of the surface electrode 106 was 130 μm. Further, an n-type back electrode 107 is arranged on substantially the entire back surface of the n-type Si substrate 101 to form the LED 4B. The n-type back electrode 107 was made of a gold (Au) vacuum deposited film. Next, a square LED chip 4B having a {100} crystal plane as a main surface but having a Si single crystal 101 as a substrate is cleaved along the [110] crystal orientation to form a square LED chip 4B having a side of about 250 μm. did.
[0056]
When an operating current of 20 milliamperes (mA) was passed between the front and rear electrodes 106 to 107 in the forward direction, green light having an emission center wavelength of about 600 nm was emitted from the LED 4B. The luminance in a chip state measured using a general integrating sphere was about 7 millicandela (mcd), and a short-wavelength visible LED with high emission intensity was provided. The forward voltage (so-called Vf) obtained from the IV characteristics was about 2.3 V (forward current = 20 mA). The reverse voltage was about 5 V (reverse current = 10 μA), and an LED with a high breakdown voltage was provided.
[0057]
【The invention's effect】
In a laminated structure for a light-emitting element provided on a single crystal substrate and provided with a gallium-containing III-V compound semiconductor layer as a light-emitting layer, the light-emitting layer is formed of boron-containing III-V having a gradient in boron composition. Since the lattice mismatch between the single crystal material forming the substrate and the light emitting layer is reduced by providing the structure on the group III compound semiconductor composition gradient layer, the light emitting device having the light emitting layer having good crystallinity is provided. An element laminated structure can be configured. Further, in combination with the function of the boron-containing III-V compound semiconductor composition gradient layer as a barrier layer that acts as a barrier to the light-emitting layer, high-intensity light is emitted from the laminated structure for a light-emitting element according to the present invention. A light emitting element, a lamp, and a light source can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a light-emitting element laminated structure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic plan view of the LED described in the first embodiment.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the LED shown in FIG. 2 along the broken line X-X '.
FIG. 4 is a schematic sectional view of an LED described in a second embodiment.
FIG. 5 is a schematic sectional view of an LED described in a third embodiment.
FIG. 6 is a schematic view illustrating the cross-sectional structure of the lamp according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1A, 2A, 3A, 4A Light-emitting element laminated structure
2B, 3B, 4B Light emitting device (LED)
11 Substrate
12 Heterojunction light emitting part
13 Front side electrode
14 Substrate back electrode
15 pedestals
16 bowl
17, 18 terminals
19 sealing resin
101 Single crystal substrate
102 buffer layer
103 Barrier layer
104 light emitting layer
105 Upper barrier layer
106 Surface electrode
107 Back electrode

Claims

A barrier made of a single crystal substrate, a buffer layer laminated on the substrate, and a III-V compound semiconductor containing boron (B) (boron-containing III-V compound semiconductor) laminated on the buffer layer. ) Layer and a light-emitting layer comprising a III-V compound semiconductor containing gallium (Ga) (a gallium-containing III-V compound semiconductor), wherein the barrier layer comprises Having a boron composition ratio lattice-matched to the buffer layer on the surface facing the buffer layer, and having a boron composition ratio lattice-matched to the light-emitting layer on the surface facing the light-emitting layer. A composition gradient layer composed of a boron-containing group III-V compound semiconductor based on a monomeric boron phosphide having a bandgap at room temperature of 3.0 ± 0.2 eV with a gradient in the ratio. Laminate structure for a light-emitting element, characterized in that Body.

2. A light emitting layer comprising a gallium-containing group III-V compound semiconductor, comprising the same material as a boron-containing group III-V compound semiconductor constituting a surface of a barrier layer facing the light emitting layer. 3. The laminated structure for a light emitting device according to item 1.

The light-emitting layer, arsenide boron gallium phosphide: characterized by being composed of _{_{(B Y Ga 1-Y As}} 1-Z P Z 0 ≦ Y <1,0 <Z ≦ 1), according to claim 1 or 2 3. The laminated structure for a light emitting device according to item 1.

A barrier layer made of a boron-containing group III-V compound semiconductor is provided on a buffer layer made of a boron-containing group III-V compound semiconductor having a composition lattice-matched to the single crystal material forming the substrate. The multilayer structure for a light-emitting device according to claim 1.

The single crystal substrate was silicon single crystal (silicon), and the barrier layer composed of a boron-containing III-V compound semiconductor layer was composed of boron-gallium phosphide (B _x Ga _1-x P: 0 <x ≦ 1). The multilayer structure for a light-emitting device according to claim 1, wherein:

The single crystal substrate is a silicon single crystal (silicon), a barrier layer composed of boron-containing group III-V compound semiconductor layer, boron indium phosphide _{_{(B X In 1-X P}} : 0 <X ≦ 1) was constructed from The multilayer structure for a light-emitting device according to claim 1, wherein:

7. The buffer according to claim 1, wherein the buffer layer is made of amorphous or polycrystalline, and the barrier layer is made of a boron-containing group III-V compound semiconductor having a {110} crystal plane as a main component. The light-emitting element-use laminated structure according to any one of the preceding claims.

The multilayer structure for a light-emitting element according to any one of claims 1 to 7, wherein the single-crystal substrate is made of a conductive material, and an ohmic contact back electrode is provided on the back surface of the single-crystal substrate. .

The light emitting element stack according to any one of claims 1 to 8, wherein a surface electrode having ohmic contact is further provided on the light emitting layer, and the surface electrode is further provided on the contact layer having good conductivity. Structure.

The contact layer is composed of a boron-containing group III-V compound semiconductor based on a monomeric boron phosphide having a band gap at room temperature of 3.0 ± 0.2 eV. Item 10. A laminated structure for a light-emitting element according to Item 9.

The pn junction Zener diode is provided as a surge diode on the buffer layer or the barrier layer, and the laminated structure for a light emitting device according to any one of claims 1 to 10, wherein the pn junction Zener diode is provided as a surge diode.

12. The light emitting device stack according to claim 11, wherein the pn junction type Zener diode comprises a pn junction structure of a barrier layer and a boron-containing group III-V compound semiconductor layer joined to the barrier layer. Structure.

The light-emitting element-use laminated structure according to claim 7. [ 110 ] Laser diode manufactured with the cleavage plane as the resonance end face.

Emitting element characterized by being configured using the light-emitting device stacked structure according to any one of claims 1 to 12.

14. The light emitting device according to claim 13 , further comprising a light emitting device and an electronic component for controlling the intensity of light emitted from the light emitting device on the same single crystal substrate.

The light emitting device according to claim 15 , wherein the electronic component is provided on a barrier layer made of a boron-containing group III-V compound semiconductor.

Lamp, characterized by being configured from a light emitting device according to any one of claims 14 to 16.

A light source comprising the lamp according to claim 17 .

A light source of a constant current drive type or a constant voltage drive type, wherein the lamp according to claim 17 is electrically connected in series or in parallel.

A light source for displaying frozen foods using the lamp according to claim 17.

A light source used in an outdoor display using the lamp according to claim 17.

A light source used for a traffic signal using the lamp according to claim 17.

A light source for use in a turn signal for an automobile using the lamp of claim 17.

A light source used for illumination using the lamp according to claim 17.