JP3646655B2

JP3646655B2 - Group III nitride semiconductor light emitting diode

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Publication number: JP3646655B2
Application number: JP2001028941A
Authority: JP
Inventors: 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Showa Denko KK
Priority date: 2001-02-06
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: JP2002232000A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｓｉ単結晶基板上に緩衝層を介して、格子整合系のｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部と素子駆動電流の拡散を促進する電流拡散層とを形成して、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードを得るための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気絶縁性サファイア（α−Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）に代替して（Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．，Ｖｏｌ．４６８（１９７７）、４８１〜４８６頁参照）、珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）を基板としてＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光ダイオード（ＬＥＤ）を構成する技術が開示されている（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，３３（２３）（１９９７）、１９８６〜１９８７頁参照）。導電性を有するＳｉ単結晶を基板とすれば、基板裏面に電極を敷設でき、簡便にＬＥＤを構成できる利点がある。また、Ｓｉ単結晶を基板とすれば、劈開を利用して簡便に個別の素子（チップ）に分割できる利点もある（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７２（４）（１９９８）、４１５〜４１７頁参照）。
【０００３】
ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子には、ＩＩＩ族窒化物半導体から成るｐｎ接合型のダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部が備えられている。発光部とは、ｐ形及びｎ形クラッド（ｃｌａｄ）層に挟持された発光層とから構成される、発光を担う機能部である。従来技術にあって、クラッド層は六方晶（ｈｅｘａｇｏｎａｌ）の窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_aＧａ_1-aＮ、但し０≦ａ≦１）から構成されている。青色帯或いは緑色帯の短波長可視光を出射するための発光層は、六方晶の窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_bＩｎ_1-bＮ、但し０＜ｂ＜１）から構成されるのがもっぱらである（特公昭５５−３８３４号公報参照）。
【０００４】
ウルツ鉱（ｗｕｒｔｚｉｔｅ）結晶型の窒化ガリウム（ＧａＮ）のａ軸の格子定数は３．１８９オングストローム（Å）である。また、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）と窒化インジウム（ＩｎＮ）のａ軸の格子定数は各々、３．１１１Å及び３．５３３Åである（格子定数値は何れも寺本巌著、「半導体デバイス概論」（１９９５年３月３０日、（株）培風館発行初版、２８頁参照）。従って、発光層をなすＧａ_bＩｎ_1-bＮ（一般に０＜ｂ＜１）とクラッド層のＡｌ_aＧａ_1-aＮ（０≦ａ≦１）とでは格子定数を相違する。即ち、従来のＳｉ単結晶を基板とするＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤの発光部は、格子定数を異にするＩＩＩ族窒化物半導体層から構成される格子不整合系の構成となっていた（上記のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ，７２（４）（１９９８）参照）。
【０００５】
リン化ガリウム（ＧａＰ）等の立方晶結晶基板上にリン化硼素（ＢＰ）緩衝層を介して設けたＡｌＧａＮ混晶系層からなる発光部を利用してＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤ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）。また、等軸立方晶のＳｉ単結晶を基板としてＩｎ_XＡｌ_YＧａ_1-X-YＮ（０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ＝１）系ＬＥＤを構成する技術も開示されている（特開平１０−３２１９１１号公報）。Ｓｉ単結晶を基板とする従来のＬＥＤにあって、発光部を、ｎ形及びｐ形Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ｎからなるクラッド層と、ＧａＮからなる発光層とのｐｎ接合型ヘテロ接合構造から構成する例がある（特開平１０−２４２５８６号公報明細書）。クラッド層を構成するＡｌ_0.2Ｇａ_0.8ＮとＧａＮとでは格子定数が異なっており、従って、Ｓｉ単結晶を基板とする従来のＬＥＤの発光部は格子不整合系の構成となっている。
【０００６】
ＩＩＩ族窒化物半導体レーザーダイオード（ＬＤ）では、発光部の上方にＩＩＩＶ族窒化合物半導体からなるコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層を設ける構成も知られている（特開平１０−２４２５６７号公報）。例えば、ＡｌＧａＮ系混晶層からなるクラッド層上にリン化硼素（ＢＰ）からなるコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層を設けてＬＤを構成する技術が公知となっている（特開平１０−２４２５６９号公報）。また、Ｓｉ単結晶基板上に設けたｐ形Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85Ｎからなる上部クラッド層上にｐ形窒化ガリウム（ＧａＮ）コンタクト層を設ける手段が開示されている（特開平１１−４０８５０号公報）。Ａｌ_0.15Ｇａ_0.85ＮとＧａＮとでは格子定数は相違している。従って、接触抵抗の低い電極を形成するための良導層として作用し、また、特にＬＥＤにあっては素子駆動電流を発光部の広範囲に亘り拡散するための電流拡散層としての作用をも担うコンタクト層は、従来例では上記の如くクラッド層とは格子整合の関係に無いＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成されているのが通常となっていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体発光素子のｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部は上記の如く格子不整合系の積層構造となっている。このため、下部クラッド層を下地層として積層された発光層は、格子のミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）に起因して発生するミスフィット転位等の結晶欠陥を多量に含む結晶性に劣るものとなり、発光強度の増大に支障を来している問題点あった。発光層から出射される発光の強度は発光層の結晶性が良好である程、高くなる。従って、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を得るには、格子の不整合性に起因する結晶欠陥の密度の低い結晶層から発光層を構成する必要がある。
【０００８】
また、発光層と上部クラッド層とが格子整合の関係にない場合、上部クラッド層の結晶性も乱れたものとなる。上部クラッド層の内部にミスフィット転位等が多量に含まれていると、転位を介して、素子駆動電流が局所的に且つ集中的に発光層に流通してしまう問題点がある。下地層となす発光層の結晶性が格子の不整合性に因り上記の如く粗悪であると、上層の上部クラッド層の品質も尚更、劣悪なものとなる。このため、発光層の全面の広範囲に亘り、素子動作電流を分配できず、発光面積の拡張に支障を来している。発光層の広範囲に亘り平面的に素子駆動電流を分配するには、結晶品質に優れる発光層上に、これまた結晶性に優れる上部クラッド層を積層する必要がある。
【０００９】
更に、上部クラッド層が格子不整合に起因した結晶欠陥を多量に含む品質的に劣る結晶層であると、その上に、結晶性に優れる電流拡散層を積層するに難を来す。電流拡散層上に設ける電極から供給される素子駆動用電流が、電流拡散層に内在するミスフィット転位等の結晶欠陥を介して局所的に短絡的に上部クラッド層に流通する事態を招き、しいては、発光面積を充分に拡張できない不都合が発生する。
【００１０】
高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を得るには、素子駆動用電流を発光層の広範囲に亘り拡散できる結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から発光部を構成する必要がある。また、発光層自体も結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から構成するのが肝要となる。本発明では、発光部を互いに格子整合の関係にあるＩＩＩ族窒化物半導体層から構成することにより、格子不整合性に起因して発生する結晶欠陥密度の低い良質のＩＩＩ族窒化物半導体層から発光部を構成する手段を提供する。また、発光部上に設けるコンタクト層としても好都合に利用できる電流拡散層を発光部の構成層と格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層から構成して、格子不整合性に因る結晶欠陥を介しての素子駆動用電流の発光部への短絡的な通流を防止して、発光部へ略均等に電流を分配できる構成とした高発光強度のＳｉ基板系ＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを得る技術手段を提供する。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、（１）Ｓｉ単結晶基板と、該基板表面上に設けられたリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる緩衝層と、該緩衝層上に設けられた含インジウムＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光層を該発光層に格子整合するｐ形並びにｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体からなるクラッド層で挟持したｐｎ接合型ダブルヘテロ接合構造の発光部と、該発光部上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる電流拡散層とを少なくとも備えてなる、ＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを提供する。
【００１２】
また本発明では、上記（１）の発明の構成に加えて、（２）クラッド層を、インジウム組成比（インジウム濃度）を異にする複数の相（ｐｈａｓｅ）からなる多相構造の発光層の主体相をなすＩＩＩ族窒化物半導体に格子整合するＩＩＩ族窒化物半導体から構成したことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを提供する。
【００１３】
また本発明では、上記（１）または（２）の発明の構成に加えて、（３）クラッド層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体と格子整合する、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から電流拡散層を構成したことを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを提供する。
【００１４】
特に、本発明では、上記（３）に記載の発明の構成に於いて、クラッド層を立方晶を主体としてなる窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ、但し０．９４≦Ｘ≦１）から構成する。この場合、電流拡散層を窒化リン化硼素（ＢＮ_1-XＰ_X、但し０．９７≦Ｘ≦１）から構成するのが好ましい。
【００１５】
また、本発明では、上記（３）に記載の発明の構成に於いて、クラッド層を立方晶を主体としてなる窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ：０．４３≦Ｘ≦１）から構成する。この場合、電流拡散層を窒化砒化硼素（ＢＮ_1-XＡｓ_X、但し０．７７≦Ｘ≦１）から構成するのが好ましい。
【００１６】
また、本発明では、上記（３）に記載の発明の構成に加えて、クラッド層を窒素組成比を０．９７とする立方晶を主体としてなる窒化リン化ガリウム（ＧａＮ_0.97Ｐ_0.03）から構成する。或いは、クラッド層を窒素組成比を０．９８とする立方晶を主体としてなる窒化砒化ガリウム（ＧａＮ_0.98Ａｓ_0.02）から構成する。この場合、電流拡散層をリン化硼素（ＢＰ）から構成するのが好ましい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態では、ｎ形またはｐ形の低抵抗Ｓｉ単結晶を基板としてＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤ用途の積層構造体を構成する。比抵抗（抵抗率）にして数ミリオーム・センチメートル（ｍΩ・ｃｍ）或いはそれ以下の良導性のＳｉ単結晶は基板として好適に利用できる。例えば、リン（Ｐ）或いは砒素（Ａｓ）またはアンチモン（Ｓｂ）を添加した低抵抗のｎ形Ｓｉ単結晶を基板として所謂、ｎ−サイドアップ（ｓｉｄｅ−ｕｐ）型ＬＥＤ用途の積層構造体を構成する。また、例えば、硼素（Ｂ）を添加した低抵抗のｐ形Ｓｉ単結晶を基板とすれば、ｐ−サイドアップ型のＬＥＤ用途の積層構造体が構成できる。
【００１８】
Ｓｉ単結晶基板の面方位は｛１００｝、｛１１０｝または｛１１１｝等から選択できる。これら低ミラー指数面より角度に数度から数十度の範囲で傾斜した面方位を有するＳｉ単結晶も基板として利用できる。｛１１１｝結晶面は、｛１００｝結晶面に比較してＳｉ原子が稠密に存在している。このため、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶では、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）のＳｉ単結晶内への拡散、侵入が有効に抑制され、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる緩衝層を成膜するに好都合となる。｛３１１｝や｛５１１｝等の高次のミラー指数面を有するＳｉ単結晶もリン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）のチャネリング（ｃｈａｎｎｅｌｉｎｇ）如きのＳｉ単結晶基板への侵入を抑制するに効果がある。しかし、基板表面の面方位を反映して上層の成長方位も高次なものとなり、個別のＬＥＤへの裁断が複雑となるなどの不都合を生ずる場合がある。
【００１９】
Ｓｉ単結晶基板上に設ける緩衝（ｂｕｆｆｅｒ）層はリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成する。例えば、リン化硼素（ＢＰ）または砒化硼素（ＢＡｓ）などから構成する。その他、緩衝層を構成する材料として、Ｓｉ単結晶（格子定数＝５．４３０９Å）と同一の格子定数を有する窒化リン化ガリウム混晶（ＧａＮ_0.02Ｐ_0.98）、窒化砒化ガリウム混晶（ＧａＮ_0.19Ａｓ_0.81）、リン化硼素ガリウム混晶（Ｂ_0.02Ｇａ_0.98Ｐ）（特開平１１−２６６００６号公報）、及び砒化硼素ガリウム混晶（Ｂ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ）（特開平１１−２６０７２０号公報）等から構成できる。また、インジウム（Ｉｎ）を構成元素として含むリン化硼素インジウム混晶（Ｂ_0.33Ｉｎ_0.67Ｐ）及び砒化硼素インジウム混晶等（Ｂ_0.40Ｉｎ_0.60Ａｓ）から構成できる。また、立方晶の窒化リン化インジウム混晶（ＩｎＮ_0.49Ｐ_0.51）及び窒化砒化インジウム混晶（ＩｎＮ_0.58Ａｓ_0.42）から構成できる。これらの混晶は、Ｓｉ単結晶と格子整合するため、格子不整合に起因する結晶欠陥の少ない良質の緩衝層が構成できる。緩衝層の伝導形は基板伝導形に合致させるのが望ましい。
【００２０】
Ｓｉ単結晶とは格子定数を異にする例えば、リン化硼素（ＢＰ）や砒化硼素（ＢＡｓ）の場合、比較的低温で成長させると、Ｓｉ単結晶との格子ミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）を緩和して結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層をもたらす作用を発揮する緩衝層が構成できる。例えば、２５０℃以上５００℃以下の比較的低温で成膜したＢＰ低温緩衝層は、約１６％に及ぶＳｉ単結晶との格子ミスマッチ（「日本結晶成長学会誌」、Ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．２（１９９７）、１５０頁参照）を緩和して、ミスフィット転位等の結晶欠陥密度の少ない良質の多層構造体の構成層をもたらすに効果を奏する。低温緩衝の層厚としては、一般に数ナノメータ（ｎｍ）から数十ｎｍが適する。薄膜の低温緩衝層にもＳｉ単結晶基板と同一の伝導性が得られる様に不純物ドーピングを施すと、ＬＥＤにあっては、順方向電圧（Ｖf）の低減に効果が挙げられる。ＢＰ低温緩衝層上に、低温緩衝層の成長温度よりも高温の７５０℃〜１２００℃で成長させたＢＰ高温層を重層させて全体として緩衝層を構成する技術手段もある（米国特許６０６９０２１号参照）。
【００２１】
緩衝層上には、ｐｎ接合型ヘテロ接合の発光部の一構成層である下部クラッド層を積層する。下部クラッドの伝導形はＳｉ単結晶基板及び緩衝層の伝導形に合致させるのが通例である。クラッド層を緩衝層と格子整合するＩＩＩ族窒化物半導体から構成すると、格子ミスマッチに起因して発生する結晶欠陥密度が低く結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体から発光部を構成できる。例えば、ｎ形またはｐ形リン化硼素（格子定数＝４．５３１Å）緩衝層上には、窒素組成比を０．９７（＝９７％）とする立方晶の窒化リン化ガリウム（ＧａＮ_0.97Ｐ_0.03）なる下部クラッド層を積層する。また、ＢＰ層とＧａＮ_0.97Ｐ_0.03の各層を交互に重層させた多層構造からなる緩衝層上に設けたＧａＮ_0.97Ｐ_0.03からは、緩衝層に格子整合する下部クラッド層を構成できる。この多層構造は、それを構成する各層の層厚（ｎｍ）を、発光波長（λ：ｎｍ）と屈折率（ｎ）との関係式λ／（４・ｎ）で与えられる値に合致させるとブラッグ反射層（伊賀、小山共著、「面発光レーザ」（１９９０年９月２５日、（株）オ−ム社発行第１版第１刷、１１８〜１１９頁参照）としても利用できる。また、砒化硼素（格子定数＝４．７７７Å）緩衝層上には、窒素組成比を０．７２とする立方晶のＧａＮ_0.72Ｐ_0.28を下部クラッド層として積層できる。
【００２２】
下部クラッド層上には、下部クラッド層と格子整合するＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光（活性）層を積層する。例えば、ＢＰ緩衝層と格子整合を果たす立方晶ＧａＮ_0.97Ｐ_0.03（格子定数＝４．５３８Å）からなる下部クラッド層上には、インジウム（Ｉｎ）組成比を０．１０とする窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎ）を発光層として積層する。下部クラッド層と格子整合の関係にあるＩＩＩ族窒化物半導体から発光層を構成すれば、ミスフィット転位等の結晶欠陥密度の低い結晶性に優れる発光層がもたらされる利点がある。また、例えば、ＢＡｓ緩衝層と格子整合する立方晶ＧａＮ_0.72Ｐ_0.28（格子定数＝４．７７７Å）上には、インジウム組成比を０．４３とするＧａ_0.57Ｉｎ_0.43Ｎ発光層を積層させる。上記の様な下部クラッド層の構成材料から障壁（ｂａｒｒｉｅｒ）層を、また、発光層構成材料から井戸（ｗｅｌｌ）層を各々、構成してなした単一量子井戸（ＳＱＷ）または多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を発光層として利用することもできる。この場合、井戸層と障壁層とは互いに格子整合するため、結晶性に優れる井戸層を保有する発光層がもたらされる。このため、発光強度の増大を果たすに効果が奏される。
【００２３】
発光層は不純物を故意に添加していないアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）層から構成できる。また、ｐ形及びｎ形の不純物をドーピングしたＩＩＩ族窒化物半導体から構成できる。ｎ形或いはｐ形緩衝層または下部クラッド層を得る場合と同様に、ベリリウム（Ｂｅ）、マグネシウム（Ｍｇ）や亜鉛（Ｚｎ）がｐ形ドーパントとして使用できる。ｎ形ドーパントの例には、Ｓｉや錫（Ｓｎ）等の第ＩＶ族元素或いは硫黄（Ｓ）、セレン（Ｓｅ）、テルル（Ｔｅ）等の第ＶＩ族元素が使用できる。炭素（Ｃ）等の両性不純物もドーパントとして利用できる。緩衝層並びに下部クラッド層には、例えばＬＥＤにあって順方向電圧（Ｖf）の徒な増加を来さない程度のキャリア濃度を顕現する様に不純物が添加されているのが望ましい。キャリア濃度としては概ね、５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上、５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下の範囲が適する。約５×１０¹⁹ｃｍ^-3を越える高いキャリア濃度を得んがために多量に不純物をドーピングすると緩衝層或いはクラッド層を構成する結晶層に歪みが発生する場合がある。このため、緩衝層と下部クラッド層間で、或いは下部クラッド層間の良好な格子整合性が維持できなくなり、結晶性に優れる下部クラッド層または発光層を得るに不都合となる。
【００２４】
発光層のキャリア濃度としては大凡、５×１０¹⁶ｃｍ^-3〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3の範囲が適する。この範囲のキャリア濃度は、不純物をさして多量にドーピングすることもなく帰結できる。このため、下部クラッド層との格子整合性を乱すことなく良質の発光層がもたらされる。量子井戸構造からなる発光層の場合、酸素（Ｏ）を含む高抵抗のＩＩＩ族窒化物半導体薄層は障壁層等としても利用できる。
【００２５】
本発明の第２の実施形態では、発光層を多相構造の含インジウム窒化物半導体から構成する。含インジウム窒化物半導体には、窒化硼素・インジウム（Ｂ_XＩｎ_1-XＮ、但し０≦Ｘ＜１）、窒化アルミニウム・インジウム（Ａｌ_XＩｎ_1-XＮ、但し０≦Ｘ＜１）、窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ、但し０≦Ｘ＜１）等一般式Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_δＮ（０≦α、β、γ≦１、０＜δ≦１、 α＋β＋γ＋δ＝１）で表記されるＩＩＩ族窒化物半導体が例示できる。また、窒素（Ｎ）と窒素（Ｎ）とは別の例えば、リン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）等の第Ｖ族元素を構成元素として含む一般式Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_δＮ_1-ZＭ_Z（０≦α、β、γ≦１、０＜δ≦１、 α＋β＋γ＋δ＝１、０＜Ｚ＜１）で表記されるＩＩＩ族窒化物半導体も含インジウム窒化物半導体である。これには、例えば、立方晶の窒化リン化インジウム（ＩｎＮ_1-ZＰ_Z：０＜Ｚ＜１）、立方晶の窒化リン化ガリウム・インジウム（Ｇａ_αＩｎ_βＮ_1-ZＰ_Z、但し０≦α≦１、０＜β≦１、α＋β＝１、０＜Ｚ＜１）、立方晶の窒化砒化インジウム（ＩｎＮ_1-ZＡｓ_Z：０＜Ｚ＜１）、または立方晶の窒化砒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_αＩｎ_βＮ_1-ZＡｓ_Z、但し０≦α≦１、０＜β≦１、α＋β＝１、０＜Ｚ＜１）等から構成できる。混晶の組成比は下部クラッド層を格子整合を果たせる組成に設定する。
【００２６】
上記の如くの含インジウム化合物半導体からなる多相構造の発光層とは、インジウムの組成または濃度を異にする複数のドメイン（ｄｏｍａｉｎ）或いは相（ｐｈａｓｅ）からなることを指す（特開平１０−５６２０２号公報）。多相構造の発光層にあって、空間的に大きな占有率を有する相を主体相（ｍａｔｒｉｘｐｈａｓｅ）と称する。主体相の中には、微小な結晶粒等の形態をもって存在する相がある。例えば、直径を概して、数ｎｍから数十ｎｍとする量子ドット（ｄｏｔ）状の形態で存在する微結晶体がある。これを従属相（ｓｕｂｓｉｄａｒｙｐｈａｓｅ）と仮称する。発光層を多相構造のＩＩＩ族窒化物半導体層から構成することの利点は高強度の発光が得られることによる（上記の特開平１０−５６２０２号公報）。従属相は主体相に比較してインジウム組成または濃度を大とするのが通例である。また、従属相の相互でもインジウム組成または濃度を相違するのが一般である。
【００２７】
多相構造からなる発光層では、主体相中に従属的に散在する従属相のインジウム組成比或いは濃度の差異に主に起因して主たる発光に加えて副次的な発光が発生する場合がある。副次的な発光が発生すると単色性を欠いた発光がもたらされ不都合となる。係る様な副次的な発光は、発光層の成長後に於いて適切な冷却速度の冷却過程を経由させて、従属相の大きさ（体積）の画一化を達成することにより回避することができる（特開平１０−３１３１３３号公報）。
【００２８】
また、第２の実施形態では、多相構造をなす主体相に対して格子整合するＩＩＩ族窒化物半導体からクラッド層を構成する。多相構造発光層内で空間的に占有する体積の微小な従属相に格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からクラッド層を構成しても、発光層の全般に対して充分に良好な格子整合性を発揮するクラッド層は構成できない。また、従属相は主体相に比して、インジウム組成比が大であるため、禁止帯幅（ｂａｎｄｇａｐ）は小さい。このため、従属相と格子整合するＩＩＩ族窒化物半導体からクラッド層を構成すると、主体相に対する禁止帯幅の差異が、従属相とのそれに比べてより小となる場合がある。このため、主体相に対しては、充分なクラッド作用が発揮できない場合がある。一方、主体相について格子整合をなすＩＩＩ族窒化物半導体からは、発光層は主体相を主として構成されているため、全般として発光に良好な格子整合性をなすクラッド層が構成できる。また、従属相よりも禁止帯幅を大とする主体相を基準にしてクラッド作用を及ぼすＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からクラッド層を構成すれば、従属相に対してもクラッド作用を果すことができる。従って、本発明の第２の実施形態では、多相構造の発光層の主体相に対し格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からクラッド層を構成することとする。此処で云うクラッド層とは、単一（ｓｉｎｇｌｅ）ヘテロ構造の発光部では、発光層の一面に接合するクラッド層である。また、ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部では、発光層の両面に接合している上部、下部クラッド層を指す。
【００２９】
本発明の第３の実施形態では、発光部上に設ける電流拡散層を、上部クラッド層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体と格子整合する、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成する。例えば、ｎ形またはｐ形のＧａＮ_0.97Ｐ_0.03（格子定数＝４．５３８Å）からなる上部クラッド層上には同じくｎ形またはｐ形のＧａＮ_0.97Ｐ_0.03からなる電流拡散層を設ける。上部クラッド層と電流拡散層の伝導形は一致させる。また、ｎ形またはｐ形ＧａＮ_0.97Ｐ_0.03からなる上部クラッド層に格子整合するリン化硼素（ＢＰ：格子定数＝４．５３８Å）からｎ形またはｐ形の電流拡散層を構成する。上部クラッド層に格子整合する材料から構成された電流拡散層は、格子不整合に起因して発生するミスフィット転位等の結晶欠陥密度の小さい良質の結晶層となる。このため、転位等の結晶欠陥を介して素子駆動用電流が発光部に短絡的に且つ局所的に流通するのを抑制できる。また、発光部の略全面の広範囲に亘りに駆動用電流を拡散でき、しいては発光面積の拡張が達成される。なお、本発明で上部クラッド層と電流拡散層は格子不整合度が±１％、望ましくは±０．５％の範囲で格子整合していればよく、クラッド層ないし電流拡散層の組成は上記の範囲で格子整合する範囲でばらつきがあってもよい。
【００３０】
電流拡散層は、素子駆動用電流を発光部の広範囲に均等に分散できる様な低抵抗層であるのが好ましい。キャリア濃度に換算して５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上で、より好ましくは１×１０¹⁸ｃｍ^-3以上で約１×１０²⁰ｃｍ^-3以下とする。約１×１０²⁰ｃｍ^-3を越える高キャリア濃度となる様に不純物が過剰にドーピングされた結晶層は、ドーピング不純物と結晶層の構成原子との原子半径の差異に主に起因して発生する歪や転位等を含むものとなる。素子駆動電流は転位等の結晶欠陥を介して短絡的に発光部へ流入することとなり、発光面積を拡張するに支障を来す。電流拡散層をオーミック電極形成用のコンタクト層を兼用する層として設ける構成を考慮すると、電流拡散層の層厚は大凡、２０ｎｍ以上であるのが望ましい。約２０ｎｍ未満の薄層とすると、オーミック電極を構成する金属材料が発光部に侵入して、発光部構成層と直接的に接触してしまう場合がある。このため、素子駆動用電流が電流拡散層内を平面的に拡散して通流するのではなく、発光部へ短絡的に流通する事態を招き、発光面積が充分に拡張されない不都合を生ずる。電極を構成材料の浸透を電流拡散層内に止めておくために、電流拡散層の層厚は約５０ｎｍ以上とするのがより望ましい。電流拡散層のキャリア濃度と層厚の乗算値（＝Ｎ×Ｄ）が大である程、得られる電流拡散の効果は大きい。換言すれば、キャリア濃度（Ｎ：単位ｃｍ^-3）が高い程、電流拡散層の層厚（Ｄ）を薄層としても略同等の電流拡散の効果が得られる。
【００３１】
また、発光層から出射される発光を外部に効率的に取り出すために、発光波長に対応するよりも大きな禁止帯幅の材料から構成するのが望ましい。ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体にあって、Ｖ族構成元素をリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）とする半導体結晶は、アンチモン（Ｓｂ）を構成元素とする結晶に比較して高い禁止幅を有している（寺本巌著、「半導体デバイス概論」（１９９５年３月３０日、（株）培風館発行初版、２８頁参照）。従って、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）をＶ族構成元素として含有するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からは発光を外部に透過する窓（ｗｉｎｄｏｗ）層の役目も担う電流拡散層を好都合に構成できる。
【００３２】
本発明の第４の実施形態では、特に、クラッド層を立方晶を主体としてなる窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ）から構成する。この場合、電流拡散層を窒化リン化硼素（ＢＮ_1-XＰ_X）から構成するのが好ましい。立方晶を主体としてなるとは、立方晶の占有する体積が全体の概ね、９０％以上であることをいう。他の構成要素は六方晶（ｈｅｘａｇｏｎａｌ）のＧａＩｎＮ結晶である。結晶層内の立方晶の体積占有率は、例えば精密Ｘ線回折法を利用して解析できる。立方晶のＧａ_XＩｎ_1-XＮと立方晶ＢＮ_1-XＰ_Xの格子定数が合致する範囲は、Ｇａ_XＩｎ_1-XＮにあって０．９４≦Ｘ≦１の範囲であり、また、ＢＮ_1-XＰ_Xにあって０．９７≦Ｘ≦１の範囲である。クラッド層と格子整合の関係にある結晶層から、ミスフィット転位等の結晶欠陥密度の小さい良質の電流拡散層が構成できる。このため、結晶性に優れる電流拡散層が構成できるため、素子駆動電流の発光部への短絡的な流通を抑制して、発光部の略全面に均等の駆動用電流を拡散するに効果が奏される。
【００３３】
本発明の第５の実施形態では、特に、クラッド層を立方晶を主体としてなる窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ）から構成する。この場合、電流拡散層を窒化砒化硼素（ＢＮ_1-XＡｓ_X）から構成してＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを得るのが好ましい。立方晶のＧａ_XＩｎ_1-XＮと立方晶ＢＮ_1-XＡｓ_Xの格子定数が合致する範囲は、Ｇａ_XＩｎ_1-XＮにあって０．４３≦Ｘ≦１の範囲であり、また、ＢＮ_1-XＡｓ_Xにあって０．７７≦Ｘ≦１の範囲である。クラッド層と格子整合するＢＮ_1-XＡｓ_Xからは、良質の電流拡散層が構成できるため、素子駆動電流の発光部への短絡的な流通を抑制して、発光部の略全面に均等の駆動用電流を拡散するに効果が奏される。
【００３４】
本発明の第６の実施形態では、クラッド層を窒素組成比を０．９７とする立方晶を主体としてなる窒化リン化ガリウム（ＧａＮ_0.97Ｐ_0.03）から構成する。この場合、電流拡散層をリン化硼素（ＢＰ）から構成して、ＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを得るのが好ましい。リン化硼素（ＢＰ）はＧａＮ_0.97Ｐ_0.03に格子整合をなす閃亜鉛鉱型の結晶（格子定数＝４．５３８Å）であるため、素子駆動用電流を平面的に拡散するに好都合となる電流拡散層を構成できる。また、ＢＰは立方晶の結晶であり、そのバンド（ｂａｎｄ）構造から電流拡散層に好適なキャリア濃度の結晶層が簡便に得られる利点がある。
【００３５】
また、本発明の第７の実施形態では、クラッド層を窒素組成比を０．９８とする立方晶を主体としてなる窒化砒化ガリウム（ＧａＮ_0.98Ａｓ_0.02）から構成する。この場合、電流拡散層をリン化硼素（ＢＰ）から構成してＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを得るのが好ましい。立方晶のＧａＮ_0.98Ａｓ_0.02の格子定数は４．５３８Å）であり、その上には格子整合関係にあるＢＰ結晶から駆動用電流の平面的な拡散を促す良質の電流拡散層を積層できる。
【００３６】
一方、ＢＰは室温での禁止帯幅を約２．０ｅＶとする間接遷移型の半導体である（上記の「半導体デバイス概論」、２８頁参照）、従って、例えば波長を４５０ｎｍとする青色発光或いは波長を５２０ｎｍとする緑色発光を充分に透過するに至らない。従って、ＢＰ結晶層を電流拡散層として発光の取り出し方向に配置する方式のＬＥＤにあっては、ＢＰ電流拡散層の層厚を概ね、１００ｎｍ未満とするのが好ましい。上記の如く、電流拡散層の層厚を減ずるに伴いキャリア濃度を適宣、増加させることとすれば、電流拡散の効果は獲得できる。ＢＰ結晶では、価電子帯が縮帯しているバンド構造上の優位さから（生駒俊明、生駒英明共著、「化合物半導体の基礎物性入門」（１９９１年９月１０日、（株）培風館発行初版、１７頁参照）、ｐ形、ｎ形共々、高キャリア濃度の結晶層が得られ易い。特に、本発明に記載の如く、低温ＢＰ緩衝層を介して成長させた高温ＢＰ緩衝層では、高濃度の不純物ドーピングは容易に達成できる。
【００３７】
本発明に記載の緩衝層、下部及び上部クラッド層、発光層並びに電流拡散層は有機金属熱分解気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）、ハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）気相成長（ＶＰＥ）法、ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）ＶＰＥ法、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）等により形成できる。電流拡散層をなすＢＰ結晶層を例えば、トリエチル硼素（（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ）／ホスフィン（ＰＨ₃）／水素（Ｈ₂）反応系を利用して成膜する場合、約９００℃から約１２００℃が適する。より高温で成長すると、単量体のＢＰの他に、例えば、化学式Ｂ₁₃Ｐ₂で表される多量体のＢＰが形成され易くなり、ＢＰ単結晶層を得るに不都合となる。ＢＰと格子整合を果たすＧａＮ_0.97Ｐ_0.03結晶層も略同様の温度範囲を好適として成長できる。
【００３８】
本発明に係わる発光部を備えた積層構造体の上面と下面（Ｓｉ基板裏面）に正、負のオーミック（Ｏｈｉｍｉｃ）電極を敷設すれば、ＬＥＤ等のＬＥＤが構成できる。ｎサイドアップ型用途の積層構造体では、基板はｐ形のＳｉ単結晶であり、上表面はｎ形の電流拡散層となるため、正（陽）オーミック電極を基板裏面に、負（陰）オーミック電極を電流拡散層上に設けてＬＥＤを構成する。ｐサイドアップ型用途の積層構造体では、逆にＳｉ基板裏面にｎ形オーミック電極を設け、上表面にｐ形オーミック電極を設けてＬＥＤを構成する。オーミック電極の接触抵抗を減ずるために、電流拡散層上に改めて良導性のコンタクト層を設けることもできる。この場合、オーミック電極はコンタクト層上に敷設する。コンタクト層を電流拡散層に格子整合し、且つ発光波長に対応する遷移エネルギーよりも大きな禁止帯幅を有する材料から構成すると、入力抵抗が低く且つ発光の外部への透光性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤが得られる。
【００３９】
【作用】
含インジウムＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光層を挟持するクラッド層は、発光層との格子整合性から格子の不整合性に起因するミスフィット転位などの結晶欠陥の少ない結晶性に優れる発光層をもたらす作用を有する。
【００４０】
インジウム組成比（インジウム濃度）を異にする複数の相（ｐｈａｓｅ）からなる多相構造の発光層の主体相をなすＩＩＩ族窒化物半導体に対して、格子整合するＩＩＩ族窒化物半導体から構成したクラッド層は、発光層の主体相及び従属相の何れにも有効なポテンシャル障壁となる障壁層として作用する。
【００４１】
クラッド層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体と格子整合する、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からからなる電流拡散層は、素子駆動用電流を発光部に平面的に拡散させる作用を有する。
【００４２】
特に、クラッド層と格子整合をなすリン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成した電流拡散層は、素子駆動用電流を発光部に平面的に均等に拡散させ、発光面積の拡張を促す作用を有する。
【００４３】
【実施例】
（実施例１）
Ｓｉ単結晶上にリン化硼素（ＢＰ）緩衝層を介して設けた窒化リン化ガリウム混晶（ＧａＮ_1-XＰ_X、但し０≦Ｘ≦１）と窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ、但し０≦Ｘ≦１）からなる格子整合系の発光部を具備したＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを例にして本発明を具体的に説明する。本実施例１に係わるＬＥＤ１０の断面模式図を図１に示す。
【００４４】
基板１０１には、硼素（Ｂ）ドープｐ形（１１１）−Ｓｉ単結晶を用いた。基板１０１上にはリン化硼素（ＢＰ）からなる低温緩衝層１０２を堆積した。低温緩衝層１０２はトリエチル硼素（（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ）／ホスフィン（ＰＨ₃）／水素（Ｈ₂）系常圧ＭＯＣＶＤ法により、３５０℃で成長させた。緩衝層１０２の層厚は約１４ｎｍとした。低温緩衝層１０２の表面には、上記のＭＯＣＶＤ気相成長手段を利用して、９５０℃でマグネシウム（Ｍｇ）をドーピングしたｐ形ＢＰ層を高温緩衝層１０３として積層した。マグネシウム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（ｂｉｓ−（Ｃ₅Ｈ₄）₂Ｍｇ）を用いた。高温緩衝層１０３のキャリア濃度は約７×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。層厚は２５０ｎｍとした。
【００４５】
高温緩衝層１０３上には、リン化硼素（ＢＰ）と格子整合するリン（Ｐ）組成比を０．０３（＝３％）とするマグネシウムドープｐ形窒化リン化ガリウム（ＧａＮ_0.97Ｐ_0.03）層を下部クラッド層１０４として積層した。立方晶ＧａＮ_0.97Ｐ_0.03層は、トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）／ＰＨ₃／アンモニア（ＮＨ₃）／Ｈ₂系常圧ＭＯＣＶＤ法により１０００℃で成長させた。下部クラッド層１０４のキャリア濃度は約８×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、層厚は約１２ｎｍとした。
【００４６】
下部クラッド層１０４上には、層厚を約１０ｎｍとするｎ形窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_1-XＩｎ_XＮ）からなる発光層１０５を積層した。インジウム組成比（＝Ｘ）は下部クラッド層１０４を構成するＧａＮ_0.97Ｐ_0.03層に格子整合を果たす０．１０とした。発光層１０５は、（ＣＨ₃）₃Ｇａ／シクロペンタジエニルインジウム（Ｃ₅Ｈ₅Ｉｎ）／ＰＨ₃／ＮＨ₃／Ｈ₂系常圧ＭＯＣＶＤ法により８３０℃で成長させた。
【００４７】
発光層１０５の表面上には、（ＣＨ₃）₃Ｇａ／ＰＨ₃／ＮＨ₃／Ｈ₂系常圧ＭＯＣＶＤ法により１０００℃で上部クラッド層１０６を積層した。上部クラッド層１０６は、立方晶のＧａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎ発光層１０５に格子整合する珪素（Ｓｉ）ドープｎ形ＧａＮ_0.97Ｐ_0.03層から構成した。上部クラッド層１０６のキャリア濃度は約８×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、層厚は２４０ｎｍとした。立方晶のｐ形ＧａＮ_0.97Ｐ_0.03下部クラッド１０４と立方晶Ｇａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎ発光層１０５と立方晶のｎ形ＧａＮ_0.97Ｐ_0.03上部クラッド層１０６とから格子整合系のｐｎ接合型ダブルヘテロ接合構造の発光部１０８を構成した。
【００４８】
上部クラッド層１０６上には、ＧａＮ_0.97Ｐ_0.03層に格子整合するｎ形リン化硼素（ＢＰ）からなる電流拡散層１０７を積層させた。電流拡散層１０７をなすＳｉドープＢＰ層は、（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ／ＰＨ₃／Ｈ₂系常圧ＭＯＣＶＤ法により、１０００℃で成長させた。電流拡散層１０７の層厚は約５０ｎｍとし、また、キャリア濃度は約１×１０¹⁹ｃｍ^-3に設定した。
【００４９】
ｐ形Ｓｉ単結晶基板１０１の裏面には、アルミニウム（Ａｌ）からなるｐ形オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極１０９を形成した。また、電流拡散層１０７の表面の中央には、金（Ａｕ）からなるｎ形オーミック電極１１０を配置した。ｎ形オーミック電極１１０の直径は約１３０μｍとした。然る後、基板１０１としたＳｉ単結晶を［２１１］方向に平行及び垂直な方向に裁断して、一辺を約３００μｍとするＬＥＤチップ（ｃｈｉｐ）１０となした。
【００５０】
両オーミック電極１０９〜１１０間にＬＥＤ駆動用電流を通流した。電流−電圧（Ｉ−Ｖ特性）は発光部１０８の良好なｐｎ接合特性に基づく正常な整流特性を示した。Ｉ−Ｖ特性から求めた順方向電圧（Ｖf）は約３．１Ｖ（但し、順方向電流は２０ｍＡ）となった。また、逆方向電圧は約１５Ｖ（但し、逆方向電流は１０μＡ）となった。順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流した際には、発光中心波長を約４６０ｎｍとする青色光が出射された。発光スペクトルの半値幅は約１８ｎｍであった。一般的な積分球を利用して測定されるチップ状態での発光強度は約１６マイクロワット（μＷ）となり、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤが提供された。
【００５１】
（実施例２）
実施例１に記載の積層構造体に於いて、上部クラッド層（図１の符号１０６）のみを砒化窒化ガリウム（ＧａＮ_0.98Ａｓ_0.02）層に変更し、他の構成層は実施例１と同一としてＬＥＤを構成した。上部クラッド層をなすｎ形砒化窒化ガリウムの砒素組成比は、Ｇａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎ発光層及びＢＰ電流拡散層と同一の格子定数（＝４．５３８Å）となる２％（＝０．０２）に設定した。上部クラッド層のキャリア濃度は約２×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚は約２００ｎｍとした。
【００５２】
その他は実施例１と同様にして形成したＬＥＤの正・負両オーミック電極間に２０ｍＡの順方向電流を通流したところ、中心波長を約４６０ｎｍとする青色光が出射された。順方向電圧（Ｖf）は約３．１Ｖとなった。チップ状態での発光強度は約１５μＷであり、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤが提供された。
【００５３】
（実施例３）
本実施例３に係わるＬＥＤ２０の断面模式図を図２に示す。
リン（Ｐ）ドープｎ形（１１１）−Ｓｉ単結晶基板２０１上に、ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）／（ＣＨ₃）₃Ｇａ／アルシン（ＡｓＨ₃）／Ｈ₂系減圧ＭＯＣＶＤ法で４００℃で砒化硼素・ガリウム（Ｂ_XＧａ_1-XＡｓ、但し０≦Ｘ≦１）から構成した低温緩衝層２０２を積層させた。硼素（Ｂ）組成比（＝Ｘ）はＳｉ単結晶に格子整合する０．２５とした。低温緩衝層２０２は約１．３×１０⁴パスカル（Ｐａ）の減圧下で成長させた。低温緩衝層２０２の層厚は約１５ｎｍとした。
【００５４】
断面透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）法での観察に依れば、成膜時のアズ・グローン（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）状態のＢ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ低温緩衝層２０２では、Ｓｉ単結晶基板２０１との接合面から大凡、３ｎｍに至る上方の領域は単結晶となっていた。また、Ｂ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ低温緩衝層２０２とｎ形Ｓｉ単結晶基板２０１とには、剥離は認められず良好な密着性が保持された。低温緩衝層２０２の上部は非晶質体を主体として構成されていた。
【００５５】
Ｂ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ低温緩衝層２０２上には、上記の減圧ＭＯＣＶＤ反応系を利用して、９５０℃で硼素組成（＝Ｘ）に組成勾配を付与したＳｉドープＢ_XＧａ₁ _-XＰ高温結晶層２０３を積層した。硼素（Ｂ）の組成比は、高温緩衝層２０３の層厚の増加方向に０．０２より１．０に直線的に増加させた。即ち、組成勾配高温緩衝層２０３の表面はリン化硼素（ＢＰ）層とした。硼素（Ｂ）の組成勾配はＭＯＣＶＤ反応系へのジボランの供給量を経時的に一律に増加させ、逆にトリメチルガリウムの供給量を一律に減少させて付した。層厚は約１７ｎｍとした。高温緩衝層２０３の成長時の反応系の圧力は約１．３×１０⁴Ｐａに設定した。Ｂ_XＧａ_1-XＰ組成勾配（Ｘ＝０．０２→１．０）緩衝層２０３の成長時には、ジシラン（Ｓｉ₂Ｈ₆）−Ｈ₂混合ガスを使用してＳｉをドーピングした。キャリア濃度は約１×１０¹⁸ｃｍ^-3に設定した。Ｘ線回折分析法での解析に依れば、高温結晶層２０３は（１１１）配向性の立方晶のＢ_XＧａ_1-XＰ（Ｘ＝０．０２→１．０）単結晶層であると認められた。
【００５６】
高温緩衝層２０３としたＢ_XＧａ_1-XＰ組成勾配層の成膜を終了した後では、Ｂ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ低温緩衝層２０２内部の非晶質体の大部分は、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態でＳｉ単結晶基板２０１との境界領域に存在していた単結晶層を基として単結晶）化した。また、Ｂ_XＧａ_1-XＰ（Ｘ＝０．０２→１．０）高温緩衝層２０３は、Ｓｉ単結晶と格子整合する組成のＢ_0.25Ｇａ_0.75Ａｓ（格子定数＝５．４３１Å）からなる低温緩衝層２０２上に設けたため、剥離することのない連続膜となった。
【００５７】
高温緩衝層２０３上には、（ＣＨ₃）₃Ｇａ／Ｃ₅Ｈ₅Ｉｎ／ＮＨ₃／Ｈ₂系減圧ＭＯＣＶＤ法により９００℃で、インジウム組成比を１％（＝０．０１）とするｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ_0.99Ｉｎ_0.01Ｎ）からなる下部クラッド層２０４を設けた。下部クラッド層２０４のキャリア濃度は約５×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、、層厚は約３００ｎｍとした。下部クラッド層２０４上には、（ＣＨ₃）₃Ｇａ／Ｃ₅Ｈ₅Ｉｎ／ＮＨ₃／Ｈ₂系減圧ＭＯＣＶＤ法により９００℃で、主体相のインジウム組成比を０．０１とし、平均的なインジウム組成比を約０．０６とする多相構造のｎ形発光層２０５を設けた。発光層２０５の層厚は約８０ｎｍとした。多相構造発光層２０５上には、上記のＭＯＣＶＤ反応系を利用して、ｐ形のＧａ_0.99Ｉｎ_0.01Ｎからなる上部クラッド層２０６を積層させてｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部２０８を構成した。上部クラッド層２０６のキャリア濃度は７×１０¹⁷ｃｍ^-3とし、層厚は約１０ｎｍとした。
【００５８】
ｐ形Ｇａ_0.99Ｉｎ_0.01Ｎ上部クラッド層２０６上には、ｐ形窒化リン化硼素（ＢＮ_1-XＰ_X、但し０．９７≦Ｘ≦１）層を電流拡散層２０７として積層した。窒素組成比は上部クラッド層と同一の格子定数（＝４．５１５Å）となる０．０２とした。
【００５９】
ｎ形Ｓｉ単結晶基板２０１の裏面には、アルミニウム（Ａｌ）からなるｎ形オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極２０９を形成した。また、電流拡散層２０７の表面の中央には、金（Ａｕ）からなるｐ形オーミック電極２１０を配置した。ｐ形オーミック電極２１０の直径は約１３０μｍとした。然る後、基板２０１としたＳｉ単結晶を［２１１］方向に平行及び垂直な方向に裁断して、一辺を約２６０μｍとするＬＥＤチップ（ｃｈｉｐ）２０となした。
【００６０】
両オーミック電極２０９〜２１０間にＬＥＤ駆動用電流を通流した。電流−電圧（Ｉ−Ｖ特性）は発光部２０８の良好なｐｎ接合特性に基づく正常な整流特性を示した。Ｉ−Ｖ特性から求めた順方向電圧（Ｖf）は約３．５Ｖ（但し、順方向電流は２０ｍＡ）となった。また、逆方向電圧は約１５Ｖ（但し、逆方向電流は１０μＡ）となった。順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流した際には、発光中心波長を約４１０ｎｍとする青色光が出射された。発光スペクトルの半値幅は約２２ｎｍであった。一般的な積分球を利用して測定されるチップ状態での発光強度は約１２マイクロワット（μＷ）となり、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤが提供された。
【００６１】
（実施例４）
実施例３に記載の積層構造体に於いて、電流拡散層（図２の符号２０７）のみを砒化窒化硼素（ＢＮ_1-XＡｓ_X、但し０．７７≦Ｘ≦１）層に変更し、他の構成層は実施例３と同一としてＬＥＤを構成した。電流拡散層をなすマグネシウム（Ｍｇ）ドープｐ形砒化窒化硼素の砒素組成比は、発光層の主体相及び上部クラッド層をなすＧａ_0.99Ｉｎ_0.01Ｎと同一の格子定数（＝４．５１５Å）となる７７％（＝０．７７）に設定した。電流拡散層のキャリア濃度は約２×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚は約２００ｎｍとした。
【００６２】
その他は実施例３と同様にして形成したＬＥＤの正・負両オーミック電極間に２０ｍＡの順方向電流を通流したところ、中心波長を約４１０ｎｍとする青色光が出射された。順方向電圧（Ｖf）は約３．３Ｖとなった。チップ状態での発光強度は約１１μＷであり、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤが提供された。
【００６３】
【発明の効果】
本発明に依れば、Ｓｉ単結晶基板表面上に、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる緩衝層を介して、格子整合関係にあるＩＩＩ族窒化物半導体層からｐｎ接合型ＤＨ接合構造の発光部を設けたので、格子のミスマッチに起因する結晶性の悪化を回避して、良質のＩＩＩ族窒化物半導体層から発光部を構成することができる。また、発光部上に設ける電流拡散層を発光部を構成するクラッド層に格子整合するＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から構成したので、ＬＥＤ駆動電流を発光部の広範囲に全般に拡散させる効果が得られ、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードを提供できる。
【００６４】
特に、クラッド層をインジウム組成比を異にする複数の相からなる多相構造の発光層の主体相をなすＩＩＩ族窒化物半導体に格子整合するＩＩＩ族窒化物半導体から構成すると、発光層との格子整合による良好な結晶性を有するＩＩＩ族窒化物半導体層からクラッド層を構成できると共に、多相構造発光層に対して確実に障壁（クラッド）作用を及ぼすクラッド層を構成することができ、しいては、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードを提供できる。
【００６５】
また、クラッド層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体と格子整合する、リン（Ｐ）または砒素（Ａｓ）を構成元素として含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から電流拡散層を構成すると、ＬＥＤ駆動電流を発光部の全域に亘り、広範囲に拡散できる電流拡散層を構成することができ、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードを提供できる。
【００６６】
特に、立方晶を主体としてなる窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ、但し０≦Ｘ≦０．９０）からなるクラッド層について、電流拡散層を窒化リン化硼素（ＢＰ_1-XＮ_X、但し０≦Ｘ≦０．０３）から構成すると、ＬＥＤ駆動電流を発光部の広範囲に拡散するに好都合な、格子ミスマッチに起因する結晶欠陥の密度が小さく結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から電流拡散層を構成でき、しいては、発光面積を拡張するに効果が奏され、ＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードを提供できる。
【００６７】
特に、立方晶を主体としてなる窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ：０．４３≦Ｘ≦１）からなるクラッド層について、電流拡散層を窒化砒化硼素（ＢＡｓ_1-XＮ_X、但し０≦Ｘ≦０．２３）から構成すると、ＬＥＤ駆動電流を発光部の広範囲に拡散するに好都合な、格子ミスマッチに起因する結晶欠陥の密度が小さく結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から電流拡散層を構成でき、しいては、発光面積を拡張するに効果が奏され、ＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードを提供できる。
【００６８】
特に、窒素組成比を０．９７とする立方晶を主体としてなる窒化リン化ガリウム（ＧａＮ_0.97Ｐ_0.03）からなるクラッド層について、電流拡散層をリン化硼素（ＢＰ）から構成すると、ＬＥＤ駆動電流を発光部の広範囲に拡散するに好都合な、格子ミスマッチに起因する結晶欠陥の密度が小さく結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から電流拡散層を構成でき、しいては、発光面積を拡張するに効果が奏され、ＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードを提供できる。
【００６９】
また特に、窒素組成比を０．９８とする立方晶を主体としてなる窒化砒化ガリウム（ＧａＮ_0.98Ａｓ_0.02）からなるクラッド層について、電流拡散層をリン化硼素（ＢＰ）から構成すると、ＬＥＤ駆動電流を発光部の広範囲に拡散するに好都合な、格子ミスマッチに起因する結晶欠陥の密度が小さく結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層から電流拡散層を構成でき、しいては、発光面積を拡張するに効果が奏され、ＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１、２に係わるＬＥＤの断面模式図である。
【図２】実施例３、４に係わるＬＥＤの断面模式図である。
【符号の説明】
１０、２０ＬＥＤ
１０１、２０１Ｓｉ単結晶基板
１０２、２０２低温緩衝層
１０３、２０３高温緩衝層
１０４、２０４下部クラッド層
１０５、２０５発光層
１０６、２０６上部クラッド層
１０７、２０７電流拡散層
１０８、２０８発光部
１０９、２０９裏面オーミック電極
１１０、２１０表面オーミック電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
In the present invention, a light-emitting portion having a lattice-matched pn junction type double hetero (DH) junction structure and a current diffusion layer for promoting diffusion of device driving current are formed on a Si single crystal substrate through a buffer layer. The present invention relates to a technique for obtaining a group III nitride semiconductor light-emitting diode with high emission intensity.
[0002]
[Prior art]
Electrically insulating sapphire (α-Al₂O_ThreeInstead of single crystal (see Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 468 (1977), pages 481-486), a group III nitride semiconductor using silicon (Si) single crystal (silicon) as a substrate (See Electron. Lett., 33 (23) (1997), pages 1986 to 1987). If an Si single crystal having conductivity is used as a substrate, there is an advantage that an electrode can be laid on the back surface of the substrate, and an LED can be easily constructed. Further, if a Si single crystal is used as a substrate, there is an advantage that it can be easily divided into individual elements (chips) using cleavage (Appl. Phys. Lett., 72 (4) (1998), pages 415 to 417). reference).
[0003]
The group III nitride semiconductor light emitting device includes a light emitting portion of a pn junction type double hetero (DH) junction structure made of a group III nitride semiconductor. The light emitting unit is a functional unit responsible for light emission composed of a light emitting layer sandwiched between p-type and n-type clad layers. In the prior art, the clad layer is hexagonal aluminum gallium nitride (Al_aGa_1-aN, where 0 ≦ a ≦ 1). The light-emitting layer for emitting short-wavelength visible light in the blue or green band is a hexagonal gallium nitride indium (Ga_bIn_1-bN, but 0 <b <1) is exclusively (see Japanese Patent Publication No. 55-3834).
[0004]
The a-axis lattice constant of wurtzite crystal type gallium nitride (GaN) is 3.189 angstroms (Å). In addition, the a-axis lattice constants of aluminum nitride (AlN) and indium nitride (InN) are 3.111Å and 3.533Å, respectively (the lattice constant values are both written by Akira Teramoto, “Introduction to Semiconductor Devices” (1995) (See page 28, first edition issued by Baifukan Co., Ltd., March 30.) Therefore, Ga forming the light emitting layer_bIn_1-bN (generally 0 <b <1) and Al in the cladding layer_aGa_1-aThe lattice constant is different from N (0 ≦ a ≦ 1). That is, the light emitting part of a conventional group III nitride semiconductor LED having a Si single crystal as a substrate has a lattice mismatched configuration composed of group III nitride semiconductor layers having different lattice constants (see above). Appl.Phys.Lett, 72 (4) (1998)).
[0005]
A technique for constructing a group III nitride semiconductor LED using a light emitting portion composed of an AlGaN mixed crystal layer provided on a cubic crystal substrate such as gallium phosphide (GaP) via a boron phosphide (BP) buffer layer Is disclosed (see JP-A-2-288388). In addition, equiaxed cubic Si single crystal is used as the substrate._XAl_YGa_1-XYA technique for forming an N (0 ≦ X, 0 ≦ Y, X + Y = 1) -based LED is also disclosed (Japanese Patent Laid-Open No. 10-321911). In a conventional LED using a Si single crystal as a substrate, the light emitting portion is made of n-type and p-type Al._0.2Ga_0.8There is an example of a pn junction type heterojunction structure of a cladding layer made of N and a light emitting layer made of GaN (Japanese Patent Laid-Open No. 10-242586). Al constituting the cladding layer_0.2Ga_0.8N and GaN have different lattice constants. Therefore, the light emitting portion of a conventional LED having a Si single crystal as a substrate has a lattice mismatch system.
[0006]
A group III nitride semiconductor laser diode (LD) is also known in which a contact layer made of a group IIIV nitride compound semiconductor is provided above the light emitting portion (Japanese Patent Laid-Open No. 10-242567). For example, a technique for forming an LD by providing a contact layer made of boron phosphide (BP) on a clad layer made of an AlGaN mixed crystal layer is known (Japanese Patent Laid-Open No. 10-242569). Also, p-type Al provided on a Si single crystal substrate_0.15Ga_0.85A means for providing a p-type gallium nitride (GaN) contact layer on an upper cladding layer made of N is disclosed (Japanese Patent Laid-Open No. 11-40850). Al_0.15Ga_0.85N and GaN have different lattice constants. Therefore, it functions as a good conductive layer for forming an electrode having a low contact resistance, and in particular for an LED, it also functions as a current diffusion layer for diffusing the element driving current over a wide range of the light emitting portion. In the conventional example, the contact layer is usually made of a III-V group compound semiconductor that has no lattice matching relationship with the cladding layer as described above.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The light emitting part of the pn junction type DH structure of the conventional III-V group compound semiconductor light emitting element has a lattice mismatched laminated structure as described above. For this reason, the light emitting layer laminated with the lower clad layer as an underlayer is inferior in crystallinity including a large amount of crystal defects such as misfit dislocations caused by lattice mismatch. There was a problem that hindered the increase. The intensity of light emitted from the light emitting layer increases as the crystallinity of the light emitting layer is improved. Therefore, in order to obtain a group III nitride semiconductor light emitting device with high emission intensity, it is necessary to form the light emitting layer from a crystal layer having a low density of crystal defects due to lattice mismatch.
[0008]
Further, when the light emitting layer and the upper cladding layer are not in a lattice matching relationship, the crystallinity of the upper cladding layer is also disturbed. If a large amount of misfit dislocations and the like are contained in the upper clad layer, there is a problem that element driving current flows locally and intensively to the light emitting layer through the dislocations. If the crystallinity of the light-emitting layer serving as the underlayer is poor as described above due to lattice mismatch, the quality of the upper clad layer as the upper layer will be further deteriorated. For this reason, the element operating current cannot be distributed over a wide area of the entire surface of the light emitting layer, which hinders expansion of the light emitting area. In order to distribute the element driving current in a planar manner over a wide range of the light emitting layer, it is necessary to laminate an upper cladding layer having excellent crystal quality on the light emitting layer having excellent crystal quality.
[0009]
Furthermore, if the upper cladding layer is a poor quality crystal layer containing a large amount of crystal defects due to lattice mismatch, it is difficult to stack a current diffusion layer having excellent crystallinity thereon. The element driving current supplied from the electrode provided on the current diffusion layer locally circulates to the upper cladding layer in a short circuit through crystal defects such as misfit dislocations inherent in the current diffusion layer. In this case, there is a disadvantage that the light emitting area cannot be sufficiently expanded.
[0010]
In order to obtain a group III nitride semiconductor light emitting device with high light emission intensity, it is necessary to form a light emitting portion from a group III nitride semiconductor layer having excellent crystallinity capable of diffusing a device driving current over a wide range of the light emitting layer. In addition, it is important that the light emitting layer itself is composed of a group III nitride semiconductor layer having excellent crystallinity. In the present invention, the light emitting portion is composed of a group III nitride semiconductor layer having a lattice matching relationship with each other, so that a high-quality group III nitride semiconductor layer having a low density of crystal defects generated due to lattice mismatch is obtained. Means for forming a light emitting unit are provided. In addition, a current diffusion layer that can be conveniently used as a contact layer provided on the light-emitting portion is composed of a III-V group compound semiconductor layer that lattice-matches with the constituent layers of the light-emitting portion, and crystal defects due to lattice mismatch are eliminated. A Si substrate III-nitride semiconductor LED having a high light emission intensity is obtained which is configured to prevent a short-circuit flow of the element driving current to the light-emitting portion through the light-emitting portion and to distribute the current substantially uniformly to the light-emitting portion. Provide technical means.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention provides (1) a Si single crystal substrate, a buffer layer made of a III-V group compound semiconductor containing phosphorus (P) or arsenic (As) as a constituent element provided on the substrate surface, A pn junction type double heterojunction structure in which a light emitting layer made of an indium-containing group III nitride semiconductor provided on a buffer layer is sandwiched by a clad layer made of a p-type and n-type group III nitride semiconductor lattice-matched to the light emitting layer There is provided a group III nitride semiconductor LED comprising at least a light emitting part and a current diffusion layer made of a group III-V compound semiconductor provided on the light emitting part.
[0012]
In the present invention, in addition to the configuration of the invention of (1), (2) the cladding layer is a light emitting layer having a multiphase structure composed of a plurality of phases having different indium composition ratios (indium concentrations). Provided is a group III nitride semiconductor LED comprising a group III nitride semiconductor lattice-matched to a group III nitride semiconductor forming a main phase.
[0013]
Further, in the present invention, in addition to the configuration of the above invention (1) or (2), (3) phosphorus (P) or arsenic (As) that is lattice-matched with the group III nitride semiconductor constituting the cladding layer is constituted. There is provided a group III nitride semiconductor LED characterized in that a current diffusion layer is composed of a group III-V compound semiconductor contained as an element.
[0014]
In particular, according to the present invention, in the structure of the invention described in the above (3), the cladding layer is made of gallium nitride indium (Ga_XIn_1-XN, where 0.94 ≦ X ≦ 1). In this case, the current spreading layer is made of boron nitride phosphide (BN_1-XP_XHowever, 0.97 ≦ X ≦ 1) is preferable.
[0015]
According to the present invention, in the configuration of the invention described in (3) above, the cladding layer is made of gallium nitride indium (Ga) mainly composed of cubic crystals._XIn_1-XN: 0.43 ≦ X ≦ 1). In this case, the current spreading layer is boron nitride arsenide (BN)._1-XAs_XHowever, it is preferable to constitute from 0.77 ≦ X ≦ 1).
[0016]
Further, in the present invention, in addition to the configuration of the invention described in the above (3), the cladding layer is made of gallium nitride phosphide (GaN) mainly composed of a cubic crystal having a nitrogen composition ratio of 0.97._0.97P_0.03). Alternatively, the cladding layer is mainly composed of cubic gallium arsenide (GaN) with a nitrogen composition ratio of 0.98._0.98As_0.02). In this case, the current spreading layer is preferably made of boron phosphide (BP).
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the first embodiment of the present invention, a laminated structure for use in a group III nitride semiconductor LED is configured using an n-type or p-type low-resistance Si single crystal as a substrate. A highly conductive Si single crystal having a specific resistance (resistivity) of several milliohm · centimeter (mΩ · cm) or less can be suitably used as a substrate. For example, a low-resistance n-type Si single crystal doped with phosphorus (P), arsenic (As) or antimony (Sb) is used as a substrate to form a so-called laminated structure for an n-side-up type LED application. To do. Further, for example, if a low resistance p-type Si single crystal to which boron (B) is added is used as a substrate, a laminated structure for a p-side-up type LED can be configured.
[0018]
The plane orientation of the Si single crystal substrate can be selected from {100}, {110}, {111}, and the like. An Si single crystal having a plane orientation inclined at an angle in the range of several degrees to several tens of degrees from these low mirror index planes can also be used as a substrate. In the {111} crystal plane, Si atoms are denser than the {100} crystal plane. Therefore, in the {111} -Si single crystal, diffusion and penetration of phosphorus (P) or arsenic (As) into the Si single crystal is effectively suppressed, and III- containing phosphorus (P) or arsenic (As). This is convenient for forming a buffer layer made of a group V compound semiconductor. Si single crystals having higher-order mirror index surfaces such as {311} and {511} are also effective in suppressing the penetration of phosphorus (P) and arsenic (As) into the Si single crystal substrate such as channeling. is there. However, the growth orientation of the upper layer reflects the plane orientation of the substrate surface, and there are cases in which inconveniences such as complicated cutting into individual LEDs may occur.
[0019]
The buffer layer provided on the Si single crystal substrate is made of a III-V group compound semiconductor containing phosphorus (P) or arsenic (As). For example, it is composed of boron phosphide (BP) or boron arsenide (BAs). In addition, as a material constituting the buffer layer, a gallium phosphide mixed crystal (GaN) having the same lattice constant as Si single crystal (lattice constant = 5.4309５)_0.02P_0.98), Gallium arsenide mixed crystal (GaN)_0.19As_0.81), Boron gallium phosphide mixed crystal (B_0.02Ga_0.98P) (Japanese Patent Laid-Open No. 11-266006), and gallium arsenide mixed crystals (B_0.25Ga_0.75As) (Japanese Patent Laid-Open No. 11-260720) and the like. Indium phosphide mixed crystal (B) containing indium (In) as a constituent element_0.33In_0.67P) and indium boron arsenide mixed crystals, etc. (B_0.40In_0.60As). In addition, cubic indium phosphide mixed crystal (InN_0.49P_0.51) And indium arsenide mixed crystals (InN)_0.58As_0.42). Since these mixed crystals lattice match with the Si single crystal, a high quality buffer layer with few crystal defects due to lattice mismatch can be formed. The conductivity type of the buffer layer is preferably matched to the substrate conductivity type.
[0020]
For example, in the case of boron phosphide (BP) or boron arsenide (BAs) having a lattice constant different from that of Si single crystal, when grown at a relatively low temperature, the lattice mismatch (mismatch) with Si single crystal is relaxed. A buffer layer that exhibits an effect of providing a group III nitride semiconductor layer having excellent crystallinity can be configured. For example, a BP low-temperature buffer layer formed at a relatively low temperature of 250 ° C. or more and 500 ° C. or less has a lattice mismatch with Si single crystal of about 16% (“The Crystal Growth Society of Japan”, Vol. 24, No. 2). (1997), p. 150) is relaxed, and it is effective in providing a constituent layer of a high-quality multilayer structure having a low crystal defect density such as misfit dislocations. In general, the layer thickness of the low temperature buffer is suitably from several nanometers (nm) to several tens of nm. If the impurity doping is applied to the thin film low-temperature buffer layer so that the same conductivity as that of the Si single crystal substrate can be obtained, the LED can effectively reduce the forward voltage (Vf). There is also a technical means for forming a buffer layer as a whole by overlaying a BP high temperature layer grown at 750 ° C. to 1200 ° C. higher than the growth temperature of the low temperature buffer layer on the BP low temperature buffer layer (see US Pat. No. 6,690,021). ).
[0021]
On the buffer layer, a lower cladding layer, which is a constituent layer of the light emitting portion of the pn junction type heterojunction, is stacked. The conduction type of the lower cladding is usually matched to the conduction type of the Si single crystal substrate and the buffer layer. When the clad layer is made of a group III nitride semiconductor lattice-matched with the buffer layer, the light emitting portion can be made of a group III nitride semiconductor having a low crystal defect density caused by lattice mismatch and excellent crystallinity. For example, on an n-type or p-type boron phosphide (lattice constant = 4.531Å) buffer layer, cubic gallium phosphide (GaN) with a nitrogen composition ratio of 0.97 (= 97%)_0.97P_0.03The lower clad layer is stacked. BP layer and GaN_0.97P_0.03GaN provided on a buffer layer with a multilayer structure in which each layer of_0.97P_0.03Can form a lower cladding layer lattice-matched to the buffer layer. In this multilayer structure, when the layer thickness (nm) of each layer constituting it is matched with the value given by the relational expression λ / (4 · n) between the emission wavelength (λ: nm) and the refractive index (n). It can also be used as a Bragg reflective layer (Iga, Koyama, “Surface emitting laser” (September 25, 1990, published by Ohm Co., Ltd., first edition, first edition, pages 118 to 119). On the boron arsenide (lattice constant = 4.777Å) buffer layer, cubic GaN with a nitrogen composition ratio of 0.72_0.72P_0.28Can be laminated as a lower cladding layer.
[0022]
A light emitting (active) layer made of a group III nitride semiconductor lattice-matched with the lower cladding layer is stacked on the lower cladding layer. For example, cubic GaN that lattice-matches with the BP buffer layer_0.97P_0.03On the lower cladding layer made of (lattice constant = 4.538Å), gallium nitride indium (Ga) with an indium (In) composition ratio of 0.10_0.90In_0.10N) is laminated as the light emitting layer. If the light emitting layer is made of a group III nitride semiconductor having a lattice matching relationship with the lower cladding layer, there is an advantage that a light emitting layer having a low crystal defect density such as misfit dislocations and excellent crystallinity is provided. For example, cubic GaN lattice-matched with the BAs buffer layer_0.72P_0.28On (lattice constant = 4.777４), Ga having an indium composition ratio of 0.43 is formed._0.57In_0.43N light emitting layer is laminated. A single quantum well (SQW) or a multiple quantum well (a quantum well (SQW) or a well quantum layer (well layer) made of a constituent material of the lower clad layer and a well layer made of a light emitting layer constituent material, respectively. MQW) structure can also be used as the light emitting layer. In this case, since the well layer and the barrier layer are lattice-matched with each other, a light emitting layer having a well layer having excellent crystallinity is provided. For this reason, an effect is exerted to increase the emission intensity.
[0023]
The light emitting layer can be composed of an undoped layer to which impurities are not intentionally added. Further, it can be composed of a group III nitride semiconductor doped with p-type and n-type impurities. As in the case of obtaining an n-type or p-type buffer layer or a lower cladding layer, beryllium (Be), magnesium (Mg), or zinc (Zn) can be used as a p-type dopant. Examples of n-type dopants include Group IV elements such as Si and tin (Sn) or Group VI elements such as sulfur (S), selenium (Se) and tellurium (Te). Amphoteric impurities such as carbon (C) can also be used as a dopant. It is desirable that impurities be added to the buffer layer and the lower cladding layer so as to reveal a carrier concentration that does not cause an increase in the forward voltage (Vf) in the LED, for example. The carrier concentration is approximately 5 × 10¹⁷cm^-35 × 10¹⁹cm^-3The following ranges are suitable. About 5 × 10¹⁹cm^-3If a large amount of impurities is doped to obtain a high carrier concentration exceeding the above, distortion may occur in the crystal layer constituting the buffer layer or the cladding layer. This makes it impossible to maintain good lattice matching between the buffer layer and the lower clad layer or between the lower clad layers, which is inconvenient for obtaining a lower clad layer or a light emitting layer having excellent crystallinity.
[0024]
The carrier concentration of the light emitting layer is approximately 5 × 10.¹⁶cm^-3~ 5x10¹⁸cm^-3The range of is suitable. The carrier concentration in this range can be achieved without doping a large amount of impurities. For this reason, a good-quality light emitting layer is provided without disturbing the lattice matching with the lower cladding layer. In the case of a light emitting layer having a quantum well structure, a high-resistance group III nitride semiconductor thin layer containing oxygen (O) can be used as a barrier layer or the like.
[0025]
In the second embodiment of the present invention, the light emitting layer is made of an indium-containing nitride semiconductor having a multiphase structure. Indium-containing nitride semiconductors include boron nitride and indium (B_XIn_1-XN, where 0 ≦ X <1), aluminum nitride indium (Al_XIn_1-XN, where 0 ≦ X <1), gallium nitride indium (Ga_XIn_1-XN, where 0 ≦ X <1) etc._αAl_βGa_γIn_δA group III nitride semiconductor represented by N (0 ≦ α, β, γ ≦ 1, 0 <δ ≦ 1, α + β + γ + δ = 1) can be exemplified. Further, the general formula B containing a group V element such as phosphorus (P) or arsenic (As) as a constituent element, which is different from nitrogen (N) and nitrogen (N), for example._αAl_βGa_γIn_δN_1-ZM_ZGroup III nitride semiconductors represented by (0 ≦ α, β, γ ≦ 1, 0 <δ ≦ 1, α + β + γ + δ = 1, 0 <Z <1) are also indium-containing nitride semiconductors. This includes, for example, cubic indium nitride phosphide (InN_1-ZP_Z: 0 <Z <1), cubic gallium nitride indium phosphide (Ga)_αIn_βN_1-ZP_ZHowever, 0 ≦ α ≦ 1, 0 <β ≦ 1, α + β = 1, 0 <Z <1), cubic indium arsenide nitride (InN_1-ZAs_Z: 0 <Z <1) or cubic gallium arsenide nitride indium (Ga_αIn_βN_1-ZAs_ZHowever, 0 ≦ α ≦ 1, 0 <β ≦ 1, α + β = 1, 0 <Z <1), etc. The composition ratio of the mixed crystal is set so that the lower cladding layer can achieve lattice matching.
[0026]
The light-emitting layer having a multiphase structure made of an indium-containing compound semiconductor as described above refers to being composed of a plurality of domains or phases having different indium compositions or concentrations (JP-A-10-56202). Issue gazette). A phase having a large spatial occupancy ratio in the light emitting layer having a multiphase structure is referred to as a main phase. Among the main phases, there are phases that exist in the form of fine crystal grains. For example, there is a microcrystal that exists in the form of a quantum dot (dot) generally having a diameter of several nanometers to several tens of nanometers. This is tentatively referred to as a dependent phase. The advantage of forming the light emitting layer from the group III nitride semiconductor layer having a multiphase structure is that high intensity light emission can be obtained (the above-mentioned JP-A-10-56202). The subordinate phase usually has a larger indium composition or concentration than the main phase. In general, the indium composition or concentration differs among the dependent phases.
[0027]
In a light-emitting layer having a multi-phase structure, secondary light emission may occur in addition to main light emission mainly due to a difference in indium composition ratio or concentration of subordinate phases that are subordinately dispersed in the main phase. . If secondary light emission occurs, light emission lacking monochromaticity is brought about, which is inconvenient. Such secondary light emission can be avoided by achieving uniformization of the size (volume) of the dependent phase through a cooling process with an appropriate cooling rate after the growth of the light emitting layer. (Japanese Patent Laid-Open No. 10-313133).
[0028]
In the second embodiment, the cladding layer is made of a group III nitride semiconductor lattice-matched with the main phase having a multiphase structure. Even if the clad layer is composed of a III-V compound semiconductor that lattice-matches to a small subphase having a volume spatially occupied in the light-emitting layer having a multiphase structure, the lattice matching is sufficiently good for the entire light-emitting layer. It is not possible to construct a clad layer that exhibits its properties. Further, since the dependent phase has a larger indium composition ratio than the main phase, the band gap is small. For this reason, when the cladding layer is composed of a group III nitride semiconductor lattice-matched with the dependent phase, the difference in the forbidden band width with respect to the main phase may be smaller than that with the dependent phase. For this reason, there may be a case where a sufficient cladding effect cannot be exerted on the main phase. On the other hand, since the light emitting layer is mainly composed of the main phase from the group III nitride semiconductor that is lattice-matched with respect to the main phase, a clad layer that generally has good lattice matching for light emission can be formed. Further, if the clad layer is made of a III-V group compound semiconductor that exerts a clad action on the basis of the main phase having a larger forbidden band than the subordinate phase, the clad action can be exerted on the subordinate phase. . Therefore, in the second embodiment of the present invention, the cladding layer is made of a III-V group compound semiconductor that lattice-matches with the main phase of the light emitting layer having a multiphase structure. In this case, the clad layer is a clad layer bonded to one surface of the light emitting layer in a single heterostructure light emitting portion. Moreover, in the light emission part of a double hetero (DH) junction structure, the upper and lower clad layers joined to both surfaces of the light emitting layer are indicated.
[0029]
In the third embodiment of the present invention, the current diffusion layer provided on the light emitting portion includes phosphorus (P) or arsenic (As) as a constituent element that lattice matches with the group III nitride semiconductor constituting the upper cladding layer. It consists of a III-V group compound semiconductor. For example, n-type or p-type GaN_0.97P_0.03Similarly, n-type or p-type GaN is formed on the upper cladding layer made of (lattice constant = 4.538 cm)._0.97P_0.03A current diffusion layer is provided. The conductivity types of the upper cladding layer and the current diffusion layer are matched. N-type or p-type GaN_0.97P_0.03An n-type or p-type current diffusion layer is formed from boron phosphide (BP: lattice constant = 4.538 Å) lattice-matched to the upper clad layer. A current diffusion layer made of a material lattice-matched to the upper cladding layer becomes a high-quality crystal layer having a low crystal defect density such as misfit dislocations caused by lattice mismatch. For this reason, it can suppress that the element drive current distribute | circulates to a light emission part short-circuiting locally via crystal defects, such as a dislocation. In addition, the driving current can be diffused over a wide range of substantially the entire surface of the light emitting portion, and the light emitting area can be expanded. In the present invention, the upper cladding layer and the current diffusion layer may have a lattice mismatch within a range of ± 1%, preferably ± 0.5%, and the composition of the cladding layer or the current diffusion layer is as described above. There may be variations in the lattice matching range.
[0030]
The current diffusion layer is preferably a low resistance layer that can evenly distribute the element driving current over a wide range of the light emitting portion. Converted to carrier concentration 5 × 10¹⁷cm^-3Above, more preferably 1 × 10¹⁸cm^-3About 1 × 10²⁰cm^-3The following. About 1 × 10²⁰cm^-3A crystal layer that is excessively doped with impurities so as to have a high carrier concentration exceeding the above includes strains and dislocations that are mainly caused by the difference in atomic radius between the doping impurity and the atoms constituting the crystal layer. Become. The element driving current flows into the light emitting portion in a short-circuit manner through crystal defects such as dislocations, which hinders expansion of the light emitting area. Considering a configuration in which the current diffusion layer is provided as a layer that also serves as a contact layer for forming the ohmic electrode, it is desirable that the thickness of the current diffusion layer is approximately 20 nm or more. If the thin layer has a thickness of less than about 20 nm, the metal material constituting the ohmic electrode may enter the light emitting portion and come into direct contact with the light emitting portion constituting layer. For this reason, the current for driving the element does not diffuse through the current diffusion layer in a plane but flows in a short circuit to the light emitting portion, resulting in a disadvantage that the light emitting area is not sufficiently expanded. In order to keep the electrode from permeating into the current diffusion layer, the thickness of the current diffusion layer is more preferably about 50 nm or more. The greater the multiplication value (= N × D) of the carrier concentration and the layer thickness of the current spreading layer, the greater the effect of current spreading obtained. In other words, the carrier concentration (N: unit cm)^-3) Is higher, substantially the same current diffusion effect can be obtained even if the thickness (D) of the current diffusion layer is reduced.
[0031]
Further, in order to efficiently extract the light emitted from the light emitting layer to the outside, it is desirable that the material is made of a material having a larger forbidden bandwidth than that corresponding to the light emission wavelength. In a III-V compound semiconductor, a semiconductor crystal having a group V constituent element as phosphorus (P) or arsenic (As) has a higher forbidden width than a crystal having antimony (Sb) as a constituent element. (Refered by Atsushi Teramoto, “Introduction to Semiconductor Devices” (March 30, 1995, published by Baifukan Co., Ltd., first edition, page 28) Therefore, phosphorus (P) or arsenic (As) is contained as a group V constituent element. From the III-V compound semiconductor, a current diffusion layer that also serves as a window layer that transmits light to the outside can be advantageously configured.
[0032]
In the fourth embodiment of the present invention, in particular, the cladding layer is made of gallium nitride indium (Ga) mainly composed of cubic crystals._XIn_1-XN). In this case, the current spreading layer is made of boron nitride phosphide (BN_1-XP_X). Being mainly composed of cubic crystals means that the volume occupied by the cubic crystals is approximately 90% or more of the whole. The other component is a hexagonal GaInN crystal. The volume occupation ratio of cubic crystals in the crystal layer can be analyzed using, for example, a precision X-ray diffraction method. Cubic Ga_XIn_1-XN and cubic BN_1-XP_XThe range where the lattice constants of_XIn_1-XN is in the range of 0.94 ≦ X ≦ 1, and BN_1-XP_XIn this range, 0.97 ≦ X ≦ 1. A high-quality current diffusion layer having a low crystal defect density such as misfit dislocations can be formed from a crystal layer having a lattice matching relationship with the cladding layer. For this reason, since a current diffusion layer having excellent crystallinity can be formed, the short-circuit flow of the element driving current to the light emitting portion is suppressed, and an effect of spreading an equal driving current over substantially the entire surface of the light emitting portion is achieved. Is done.
[0033]
In the fifth embodiment of the present invention, in particular, the cladding layer is made of gallium nitride indium (Ga) mainly composed of cubic crystals._XIn_1-XN). In this case, the current spreading layer is boron nitride arsenide (BN)._1-XAs_XIt is preferable to obtain a group III nitride semiconductor LED. Cubic Ga_XIn_1-XN and cubic BN_1-XAs_XThe range where the lattice constants of_XIn_1-XN is in the range of 0.43 ≦ X ≦ 1, and BN_1-XAs_XIn this range, 0.77 ≦ X ≦ 1. BN lattice matched to the cladding layer_1-XAs_XSince a high-quality current diffusion layer can be configured, the short-circuit flow of the element driving current to the light emitting portion can be suppressed, and an effect of spreading an equal driving current over substantially the entire surface of the light emitting portion can be achieved. .
[0034]
In the sixth embodiment of the present invention, the cladding layer is made of gallium nitride phosphide (GaN) mainly composed of cubic crystals having a nitrogen composition ratio of 0.97._0.97P_0.03). In this case, the current spreading layer is preferably made of boron phosphide (BP) to obtain a group III nitride semiconductor LED. Boron phosphide (BP) is GaN_0.97P_0.03Since the zinc blende type crystal (lattice constant = 4.538 Å) is lattice-matched to the element, a current diffusion layer that is convenient for planarly diffusing the element driving current can be formed. BP is a cubic crystal and has an advantage that a crystal layer having a carrier concentration suitable for the current diffusion layer can be easily obtained from the band structure.
[0035]
In the seventh embodiment of the present invention, the gallium arsenide nitride (GaN) mainly composed of a cubic crystal having a nitrogen composition ratio of 0.98 is used for the cladding layer._0.98As_0.02). In this case, the current spreading layer is preferably made of boron phosphide (BP) to obtain a group III nitride semiconductor LED. Cubic GaN_0.98As_0.02Has a lattice constant of 4.538 Å), and a high-quality current diffusion layer that promotes planar diffusion of the driving current can be laminated on the BP crystal in a lattice matching relationship.
[0036]
On the other hand, BP is an indirect transition type semiconductor having a forbidden band width of about 2.0 eV at room temperature (see “Semiconductor Device Overview”, page 28). Therefore, for example, blue light emission or wavelength with a wavelength of 450 nm is used. The green light emission having a wavelength of 520 nm is not sufficiently transmitted. Therefore, in an LED having a system in which the BP crystal layer is used as a current diffusion layer and arranged in the light emission extraction direction, it is preferable that the layer thickness of the BP current diffusion layer is approximately less than 100 nm. As described above, if the carrier concentration is appropriately increased as the thickness of the current spreading layer is reduced, the current spreading effect can be obtained. In the BP crystal, the band structure has a narrow valence band (Toshiaki Ikoma and Hideaki Ikoma, “Introduction to the Basic Physical Properties of Compound Semiconductors” (September 10, 1991, first edition published by Baifukan Co., Ltd.) 17), a crystal layer having a high carrier concentration is easily obtained for both the p-type and the n-type, particularly in a high-temperature BP buffer layer grown via a low-temperature BP buffer layer as described in the present invention. Concentration impurity doping can be easily achieved.
[0037]
The buffer layer, the lower and upper cladding layers, the light emitting layer, and the current diffusion layer according to the present invention are formed by metal organic pyrolysis vapor deposition (MOCVD method), halogen vapor deposition (VPE) method, hydride. It can be formed by VPE method, molecular beam epitaxial growth method (MBE method) or the like. For example, the BP crystal layer forming the current spreading layer may be triethylboron ((C₂H_Five)_ThreeB) / phosphine (PH_Three) / Hydrogen (H₂) When film formation is performed using a reaction system, about 900 ° C. to about 1200 ° C. is suitable. When grown at higher temperatures, in addition to monomeric BP, for example, the chemical formula B₁₃P₂It becomes inconvenient to obtain a BP single crystal layer. GaN that lattice matches with BP_0.97P_0.03The crystal layer can also be grown in a substantially similar temperature range.
[0038]
If positive and negative ohmic electrodes are laid on the upper surface and the lower surface (back surface of the Si substrate) of the laminated structure including the light emitting unit according to the present invention, an LED such as an LED can be configured. In a laminated structure for n-side-up use, the substrate is a p-type Si single crystal and the upper surface is an n-type current diffusion layer. Therefore, a positive (positive) ohmic electrode is placed on the back of the substrate, and a negative (negative) An ohmic electrode is provided on the current diffusion layer to constitute the LED. In the laminated structure for the p-side-up type application, conversely, an n-type ohmic electrode is provided on the back surface of the Si substrate, and a p-type ohmic electrode is provided on the upper surface to constitute an LED. In order to reduce the contact resistance of the ohmic electrode, a highly conductive contact layer can be provided again on the current diffusion layer. In this case, the ohmic electrode is laid on the contact layer. When the contact layer is made of a material lattice-matched to the current diffusion layer and made of a material having a forbidden band larger than the transition energy corresponding to the emission wavelength, the group III nitridation having a low input resistance and excellent light-transmitting properties to the outside A physical semiconductor LED is obtained.
[0039]
[Action]
The clad layer sandwiching the light emitting layer made of an indium-containing group III nitride semiconductor has a light emitting layer excellent in crystallinity with few crystal defects such as misfit dislocations due to lattice mismatch from the lattice matching with the light emitting layer. Has the effect of bringing.
[0040]
In contrast to the group III nitride semiconductor forming the main phase of the light emitting layer having a multi-phase structure composed of a plurality of phases having different indium composition ratios (indium concentrations), it is composed of a group III nitride semiconductor lattice-matched. The clad layer acts as a barrier layer serving as an effective potential barrier for both the main phase and the subordinate phase of the light emitting layer.
[0041]
A current diffusion layer made of a group III-V compound semiconductor containing phosphorus (P) or arsenic (As) as a constituent element, lattice-matched with a group III nitride semiconductor constituting the cladding layer, emits an element driving current to the light emitting portion Has a function of diffusing in a plane.
[0042]
In particular, a current diffusion layer composed of a group III-V compound semiconductor containing phosphorus (P) or arsenic (As) that is lattice-matched with the cladding layer diffuses the element driving current evenly in the light emitting portion and emits light. Has the effect of promoting area expansion.
[0043]
【Example】
Example 1
Gallium phosphide mixed crystal (GaN) provided on a Si single crystal via a boron phosphide (BP) buffer layer_1-XP_XHowever, 0 ≦ X ≦ 1) and gallium nitride indium (Ga)_XIn_1-XThe present invention will be described in detail by taking as an example a group III nitride semiconductor LED having a lattice-matching light emitting portion of N, where 0 ≦ X ≦ 1). FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of the LED 10 according to the first embodiment.
[0044]
As the substrate 101, boron (B) -doped p-type (111) -Si single crystal was used. A low temperature buffer layer 102 made of boron phosphide (BP) was deposited on the substrate 101. The low-temperature buffer layer 102 is made of triethylboron ((C₂H_Five)_ThreeB) / phosphine (PH_Three) / Hydrogen (H₂) It was grown at 350 ° C. by a system atmospheric pressure MOCVD method. The thickness of the buffer layer 102 was about 14 nm. On the surface of the low temperature buffer layer 102, a p-type BP layer doped with magnesium (Mg) at 950 ° C. was stacked as the high temperature buffer layer 103 using the MOCVD vapor phase growth means. Magnesium doping sources include bis-cyclopentadienyl magnesium (bis- (C_FiveH_Four)₂Mg) was used. The carrier concentration of the high-temperature buffer layer 103 is about 7 × 10¹⁸cm^-3It was. The layer thickness was 250 nm.
[0045]
On the high-temperature buffer layer 103, a magnesium-doped p-type gallium nitride GaN (GaN) having a phosphorus (P) composition ratio of 0.03 (= 3%) lattice-matched with boron phosphide (BP)._0.97P_0.03) Layer was laminated as the lower cladding layer 104. Cubic GaN_0.97P_0.03The layer consists of trimethylgallium ((CH_Three)_ThreeGa) / PH_Three/ Ammonia (NH_Three) / H₂It was grown at 1000 ° C. by the system atmospheric pressure MOCVD method. The carrier concentration of the lower cladding layer 104 is about 8 × 10¹⁷cm^-3The layer thickness was about 12 nm.
[0046]
On the lower cladding layer 104, an n-type gallium nitride indium (Ga) having a thickness of about 10 nm is formed._1-XIn_XA light emitting layer 105 made of N) was laminated. Indium composition ratio (= X) is GaN constituting the lower cladding layer 104_0.97P_0.03It was set to 0.10 which achieves lattice matching in the layer. The light emitting layer 105 has (CH_Three)_ThreeGa / cyclopentadienyl indium (C_FiveH_FiveIn) / PH_Three/ NH_Three/ H₂It was grown at 830 ° C. by the system atmospheric pressure MOCVD method.
[0047]
On the surface of the light emitting layer 105, (CH_Three)_ThreeGa / PH_Three/ NH_Three/ H₂The upper clad layer 106 was laminated at 1000 ° C. by a system normal pressure MOCVD method. The upper cladding layer 106 is made of cubic Ga._0.90In_0.10Silicon (Si) doped n-type GaN lattice-matched to N light emitting layer 105_0.97P_0.03Composed of layers. The carrier concentration of the upper cladding layer 106 is about 8 × 10¹⁷cm^-3And the layer thickness was 240 nm. Cubic p-type GaN_0.97P_0.03Lower cladding 104 and cubic Ga_0.90In_0.10N light emitting layer 105 and cubic n-type GaN_0.97P_0.03A light-emitting portion 108 having a lattice-matched pn junction type double heterojunction structure was formed from the upper cladding layer 106.
[0048]
On the upper cladding layer 106, GaN_0.97P_0.03A current spreading layer 107 made of n-type boron phosphide (BP) lattice-matched to the layer was laminated. The Si-doped BP layer forming the current spreading layer 107 is (C₂H_Five)_ThreeB / PH_Three/ H₂It was grown at 1000 ° C. by the system atmospheric pressure MOCVD method. The layer thickness of the current spreading layer 107 is about 50 nm, and the carrier concentration is about 1 × 10 6.¹⁹cm^-3Set to.
[0049]
A p-type ohmic electrode 109 made of aluminum (Al) was formed on the back surface of the p-type Si single crystal substrate 101. In addition, an n-type ohmic electrode 110 made of gold (Au) is disposed at the center of the surface of the current diffusion layer 107. The diameter of the n-type ohmic electrode 110 was about 130 μm. Thereafter, the Si single crystal serving as the substrate 101 was cut in a direction parallel to and perpendicular to the [211] direction to obtain an LED chip (chip) 10 having a side of about 300 μm.
[0050]
An LED driving current was passed between the two ohmic electrodes 109 to 110. The current-voltage (IV characteristic) showed a normal rectifying characteristic based on the good pn junction characteristic of the light emitting unit 108. The forward voltage (Vf) obtained from the IV characteristics was about 3.1 V (however, the forward current was 20 mA). The reverse voltage was about 15V (however, the reverse current was 10 μA). When an operating current of 20 milliamperes (mA) was passed in the forward direction, blue light having an emission center wavelength of about 460 nm was emitted. The half width of the emission spectrum was about 18 nm. The emission intensity in a chip state measured using a general integrating sphere was about 16 microwatts (μW), and a high emission intensity group III nitride semiconductor LED was provided.
[0051]
(Example 2)
In the laminated structure described in Example 1, only the upper cladding layer (reference numeral 106 in FIG. 1) is formed of gallium arsenide nitride (GaN)._0.98As_0.02) Layer, and other constituent layers were the same as in Example 1 to configure the LED. The arsenic composition ratio of the n-type gallium arsenide nitride forming the upper cladding layer is Ga_0.90In_0.10It was set to 2% (= 0.02), which is the same lattice constant (= 4.538Å) as that of the N light emitting layer and the BP current diffusion layer. The carrier concentration of the upper cladding layer is about 2 × 10¹⁸cm^-3The layer thickness was about 200 nm.
[0052]
Other than this, when a forward current of 20 mA was passed between the positive and negative ohmic electrodes of the LED formed in the same manner as in Example 1, blue light having a center wavelength of about 460 nm was emitted. The forward voltage (Vf) was about 3.1V. The emission intensity in the chip state was about 15 μW, and a group III nitride semiconductor LED with high emission intensity was provided.
[0053]
(Example 3)
FIG. 2 shows a schematic cross-sectional view of the LED 20 according to the third embodiment.
On the phosphorus (P) -doped n-type (111) -Si single crystal substrate 201, diborane (B₂H₆) / (CH_Three)_ThreeGa / Arsine (AsH_Three) / H₂Boron arsenide / gallium (B_XGa_1-XA low temperature buffer layer 202 composed of As, but 0 ≦ X ≦ 1) was laminated. The boron (B) composition ratio (= X) was 0.25 which lattice matched to the Si single crystal. The low temperature buffer layer 202 is about 1.3 × 10^FourGrowth was performed under reduced pressure of Pascal (Pa). The layer thickness of the low temperature buffer layer 202 was about 15 nm.
[0054]
According to the observation with a cross-sectional transmission electron microscope (TEM) method, the as-grown B at the time of film formation_0.25Ga_0.75In the As low-temperature buffer layer 202, the upper region from the bonding surface with the Si single crystal substrate 201 to approximately 3 nm is a single crystal. B_0.25Ga_0.75No peeling was observed between the As low-temperature buffer layer 202 and the n-type Si single crystal substrate 201, and good adhesion was maintained. The upper part of the low temperature buffer layer 202 is mainly composed of an amorphous material.
[0055]
B_0.25Ga_0.75On the As low-temperature buffer layer 202, Si-doped B having a composition gradient added to the boron composition (= X) at 950 ° C. using the above-described reduced pressure MOCVD reaction system._XGa₁ _-XA P high temperature crystal layer 203 was laminated. The composition ratio of boron (B) was linearly increased from 0.02 to 1.0 in the increasing direction of the thickness of the high-temperature buffer layer 203. That is, the surface of the composition gradient high temperature buffer layer 203 is a boron phosphide (BP) layer. The boron (B) composition gradient was applied by uniformly increasing the amount of diborane supplied to the MOCVD reaction system with time and conversely decreasing the amount of trimethylgallium. The layer thickness was about 17 nm. The pressure of the reaction system during the growth of the high temperature buffer layer 203 is about 1.3 × 10^FourPa was set. B_XGa_1-XDuring the growth of the P composition gradient (X = 0.02 → 1.0) buffer layer 203, disilane (Si₂H₆-H₂Si was doped using a mixed gas. Carrier concentration is about 1x10¹⁸cm^-3Set to. According to the analysis by X-ray diffraction analysis, the high-temperature crystal layer 203 has a (111) -oriented cubic B_XGa_1-XIt was recognized as a P (X = 0.02 → 1.0) single crystal layer.
[0056]
B as high temperature buffer layer 203_XGa_1-XAfter the formation of the P composition gradient layer, B_0.25Ga_0.75Most of the amorphous body in the As low-temperature buffer layer 202 was converted into a single crystal based on the single crystal layer existing in the boundary region with the Si single crystal substrate 201 in the as-grown state. B_XGa_1-XThe P (X = 0.02 → 1.0) high temperature buffer layer 203 is made of B having a composition lattice-matched with the Si single crystal._0.25Ga_0.75Since it was provided on the low-temperature buffer layer 202 made of As (lattice constant = 5.431 Å), it was a continuous film that did not peel off.
[0057]
On the high temperature buffer layer 203, (CH_Three)_ThreeGa / C_FiveH_FiveIn / NH_Three/ H₂N-type gallium nitride / indium mixed crystal (Ga) with an indium composition ratio of 1% (= 0.01) at 900 ° C. by a low pressure MOCVD method_0.99In_0.01A lower cladding layer 204 made of N) was provided. The carrier concentration of the lower cladding layer 204 is about 5 × 10¹⁸cm^-3The layer thickness was about 300 nm. On the lower cladding layer 204, (CH_Three)_ThreeGa / C_FiveH_FiveIn / NH_Three/ H₂An n-type light emitting layer 205 having a multiphase structure with an indium composition ratio of the main phase of 0.01 and an average indium composition ratio of about 0.06 at 900 ° C. by a system reduced pressure MOCVD method was provided. The layer thickness of the light emitting layer 205 was about 80 nm. On the light emitting layer 205 having a multi-phase structure, the above-described MOCVD reaction system is used to form p-type Ga._0.99In_0.01A light-emitting portion 208 having a pn junction DH structure was formed by laminating an upper clad layer 206 made of N. The carrier concentration of the upper cladding layer 206 is 7 × 10¹⁷cm^-3The layer thickness was about 10 nm.
[0058]
p-type Ga_0.99In_0.01On the N upper cladding layer 206, p-type boron nitride (BN)_1-XP_XHowever, 0.97 ≦ X ≦ 1) was laminated as the current diffusion layer 207. The nitrogen composition ratio was 0.02, which is the same lattice constant as the upper cladding layer (= 4.515 上部).
[0059]
An n-type ohmic electrode 209 made of aluminum (Al) was formed on the back surface of the n-type Si single crystal substrate 201. In addition, a p-type ohmic electrode 210 made of gold (Au) is disposed at the center of the surface of the current diffusion layer 207. The diameter of the p-type ohmic electrode 210 was about 130 μm. Thereafter, the Si single crystal serving as the substrate 201 was cut in a direction parallel to and perpendicular to the [211] direction to obtain an LED chip (chip) 20 having a side of about 260 μm.
[0060]
An LED driving current was passed between the two ohmic electrodes 209 to 210. The current-voltage (IV characteristics) showed normal rectification characteristics based on the good pn junction characteristics of the light emitting unit 208. The forward voltage (Vf) obtained from the IV characteristics was about 3.5 V (however, the forward current was 20 mA). The reverse voltage was about 15V (however, the reverse current was 10 μA). When an operating current of 20 milliamperes (mA) was passed in the forward direction, blue light having an emission center wavelength of about 410 nm was emitted. The half width of the emission spectrum was about 22 nm. The emission intensity in a chip state measured using a general integrating sphere was about 12 microwatts (μW), and a high emission intensity group III nitride semiconductor LED was provided.
[0061]
Example 4
In the laminated structure described in Example 3, only the current diffusion layer (reference numeral 207 in FIG. 2) is boron arsenide nitride (BN)._1-XAs_XHowever, the layer was changed to 0.77 ≦ X ≦ 1), and the other constituent layers were the same as in Example 3 to constitute the LED. The arsenic composition ratio of the magnesium (Mg) -doped p-type boron arsenide forming the current spreading layer is as follows: the main phase of the light emitting layer and the Ga layer forming the upper cladding layer_0.99In_0.01It was set to 77% (= 0.77), which is the same lattice constant as N (= 4.515Å). The carrier concentration of the current spreading layer is about 2 × 10¹⁸cm^-3The layer thickness was about 200 nm.
[0062]
Other than this, when a forward current of 20 mA was passed between the positive and negative ohmic electrodes of the LED formed in the same manner as in Example 3, blue light having a center wavelength of about 410 nm was emitted. The forward voltage (Vf) was about 3.3V. The emission intensity in the chip state was about 11 μW, and a group III nitride semiconductor LED with high emission intensity was provided.
[0063]
【The invention's effect】
According to the present invention, a group III having a lattice matching relationship is provided on the surface of a Si single crystal substrate via a buffer layer made of a group III-V compound semiconductor containing phosphorus (P) or arsenic (As) as a constituent element. Since the light emitting part of the pn junction type DH junction structure is provided from the nitride semiconductor layer, it is possible to avoid the deterioration of crystallinity due to lattice mismatch and to construct the light emitting part from a high-quality group III nitride semiconductor layer. it can. Further, since the current diffusion layer provided on the light emitting part is made of a III-V group compound semiconductor lattice-matched with the cladding layer constituting the light emitting part, the effect of diffusing the LED driving current over a wide range of the light emitting part can be obtained. A group III nitride semiconductor light-emitting diode with high emission intensity can be provided.
[0064]
In particular, when the clad layer is made of a group III nitride semiconductor lattice-matched to a group III nitride semiconductor that forms a main phase of a light emitting layer having a multiphase structure composed of a plurality of phases having different indium composition ratios, A clad layer can be constructed from a group III nitride semiconductor layer having good crystallinity due to lattice matching, and a clad layer that reliably acts as a barrier (clad) on the light emitting layer having a multiphase structure can be constructed. Thus, a group III nitride semiconductor light-emitting diode with high emission intensity can be provided.
[0065]
Further, when a current diffusion layer is formed from a group III-V compound semiconductor containing phosphorus (P) or arsenic (As) as a constituent element, which is lattice-matched with a group III nitride semiconductor constituting the cladding layer, LED driving current is emitted. A current diffusion layer capable of diffusing over a wide range can be formed over the entire area, and a group III nitride semiconductor light-emitting diode with high emission intensity can be provided.
[0066]
In particular, gallium nitride indium (Ga_XIn_1-XN, where 0 ≦ X ≦ 0.90), the current diffusion layer is boron nitride phosphide (BP_1-XN_XHowever, when constituted from 0 ≦ X ≦ 0.03), a group III nitride semiconductor layer having a low crystal defect density due to lattice mismatch and excellent crystallinity, which is convenient for diffusing the LED drive current over a wide range of the light emitting portion Thus, a current diffusion layer can be formed, and an effect can be exerted to expand a light emitting area, and a group III nitride semiconductor light emitting diode can be provided.
[0067]
In particular, gallium nitride indium (Ga_XIn_1-XN: 0.43 ≦ X ≦ 1) With respect to the clad layer, the current spreading layer is boron arsenide nitride (BAs_1-XN_XHowever, when constituted from 0 ≦ X ≦ 0.23), a group III nitride semiconductor layer having a low density of crystal defects due to lattice mismatch and excellent crystallinity, which is convenient for diffusing the LED driving current over a wide range of the light emitting portion Thus, a current diffusion layer can be formed, and an effect can be exerted to expand a light emitting area, and a group III nitride semiconductor light emitting diode can be provided.
[0068]
In particular, gallium nitride phosphide (GaN) mainly composed of cubic crystals with a nitrogen composition ratio of 0.97_0.97P_0.03When the current diffusion layer is made of boron phosphide (BP), the density of crystal defects caused by lattice mismatch is small and crystallinity is advantageous for diffusing the LED drive current over a wide range of the light emitting portion. A current spreading layer can be formed from an excellent group III nitride semiconductor layer, and thus an effect can be exerted to expand a light emitting area, and a group III nitride semiconductor light emitting diode can be provided.
[0069]
In particular, gallium arsenide nitride (GaN) mainly composed of cubic crystals having a nitrogen composition ratio of 0.98._0.98As_0.02When the current diffusion layer is made of boron phosphide (BP), the density of crystal defects caused by lattice mismatch is small and crystallinity is advantageous for diffusing the LED drive current over a wide range of the light emitting portion. A current spreading layer can be formed from an excellent group III nitride semiconductor layer, and thus an effect can be exerted to expand a light emitting area, and a group III nitride semiconductor light emitting diode can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of an LED according to Examples 1 and 2. FIG.
FIG. 2 is a schematic sectional view of an LED according to Examples 3 and 4;
[Explanation of symbols]
10, 20 LED
101, 201 Si single crystal substrate
102, 202 Low temperature buffer layer
103, 203 High temperature buffer layer
104, 204 Lower clad layer
105, 205 Light emitting layer
106,206 Upper cladding layer
107, 207 Current spreading layer
108, 208 Light emitting part
109, 209 Back ohmic electrode
110, 210 Surface ohmic electrode

Claims

A silicon (Si) single crystal substrate, a buffer layer made of a group III-V compound semiconductor containing phosphorus (P) or arsenic (As) as a constituent element provided on the substrate surface, and provided on the buffer layer A light-emitting portion having a pn junction type double heterojunction structure in which a light-emitting layer made of indium-containing group III nitride semiconductor is sandwiched by a clad layer made of p-type and n-type group III nitride semiconductor lattice-matched to the light-emitting layer; A group III nitride semiconductor light-emitting diode comprising at least a current diffusion layer made of boron nitride arsenide (BN _1-X As _X , where 0.77 ≦ X ≦ 1) provided on the light-emitting portion.

The clad layer is composed of a group III nitride semiconductor lattice-matched to a group III nitride semiconductor forming a main phase of a light emitting layer having a multiphase structure composed of a plurality of phases having different indium composition ratios (indium concentrations). The group III nitride semiconductor light-emitting diode according to claim 1, wherein

2. The current diffusion layer is formed of a group III-V compound semiconductor containing phosphorus (P) or arsenic (As) as a constituent element that lattice-matches with a group III nitride semiconductor constituting the cladding layer. Or a group III nitride semiconductor light-emitting diode according to 2;

Group III nitride semiconductor according to claim 3, characterized in that consisted clad layer cubic nitride gallium indium consisting mainly _{_{(Ga X In 1-X N}} , where 0.94 ≦ X ≦ 1) Light emitting diode.

Group III nitride semiconductor according to claim 3, characterized in that consisted clad layer cubic nitride gallium indium consisting mainly _{_{(Ga X In 1-X N}} , where 0.43 ≦ X ≦ 1) Light emitting diode.

A silicon (Si) single crystal substrate, a buffer layer made of a group III-V compound semiconductor containing phosphorus (P) or arsenic (As) as a constituent element provided on the substrate surface, and provided on the buffer layer A light emitting portion of a pn junction type double heterojunction structure in which a light emitting layer made of indium-containing group III nitride semiconductor is sandwiched by a clad layer made of p type and n type group III nitride semiconductor lattice-matched to the light emitting layer; A gallium phosphide nitride (GaN) comprising at least a current diffusion layer made of a group III-V compound semiconductor provided on the light emitting portion, and the cladding layer mainly comprising a cubic crystal. _0.970.97 P _0.030.03 ), Or gallium arsenide nitride (GaN) _0.980.98 As _0.020.02 A group III nitride semiconductor light-emitting diode.

The group III nitride semiconductor light-emitting diode according to claim 6 , wherein the current spreading layer is made of boron phosphide (BP).