JP3649170B2 - 積層構造体及びそれを用いた発光素子、ランプ、及び光源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電性の単結晶基板上に積層されたリン化硼素系半導体からなる低温緩衝層を備えた積層構造体と、それを利用して構成された発光素子、ランプ、及び光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の一種として、硼素（Ｂ）とリン（Ｐ）とを構成元素として含むリン化硼素（ＢＰ）系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体（リン化硼素系半導体）が知られている（寺本 巌著、「半導体デバイス概論」（１９９５年３月３０日、（株）培風館発行初版、２６〜２８頁参照）。従来において、リン化硼素或いはその混晶を利用して青色帯或いは緑色帯の発光素子を構成する技術が開示されている（日本国特許▲１▼第２８０９６９０号、▲２▼第２８０９６９１号、▲３▼第２８０９６９２号各公報、及び▲４▼米国特許６，０６９，０２１号参照）。例えば、リン化硼素（ＢＰ）とその多元混晶であるＡｌＧａＩｎＢＮとの超格子構造体から緑色帯光を出射する発光層を構成する技術が知られている（上記の特許第２８０９６９１号公報参照）。
【０００３】
リン化硼素系半導体層、特にリン化硼素（ＢＰ）層は上記の発光素子を構成するための積層構造体にあって、発光層に加えて緩衝層として利用されている（米国特許５，０４２，０４３号参照）。また、電流狭窄型のレーザダイオード（ＬＤ）をなすための電流狭窄層を構成するに利用されている（日本国特許第３１５２９００号公報参照）。リン化硼素（格子定数≒４．５３８Å）層を備えた積層構造体は、珪素（Ｓｉ：格子定数≒５．４３１Å）、リン化ガリウム（ＧａＰ：格子定数≒５．４５０Å）、或いは六方晶ウルツ鉱型炭化珪素（ＳｉＣ：ａ軸格子定数≒３．０８６Å）等の導電性単結晶を基板として構成されるのがもっぱらである（上記の米国特許６，０６９，０２１号参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
発光素子用途の積層構造体をなすリン化硼素系半導体層は、従来では、格子不整合の関係にある基板上に積層されている。加えて、リン化硼素系半導体と基板材料との熱膨張率の相違に起因して、基板上にリン化硼素系半導体層を積層する際に、基板表面からリン化硼素系半導体層が剥離する問題を発生させている。最近では、例えば、珪素（シリコン）単結晶からなる基板上に、比較的低温で形成した非晶質或いは多結晶のリン化硼素系半導体からなる低温緩衝層を配置して上記の剥離に関する問題点を解決できる技術手段が開示されている（上記の米国特許６，０６９，０２１号参照）。
【０００５】
しかし、一方で、導電性基板とのより良い導通を得ることを目的として、ｐ形或いはｎ形不純物を添加して導電性に優れる低温緩衝層を得る際に、これらの不純物が基板内部へ拡散、浸透し、基板表層部に歪や結晶欠陥を発生させる問題が生じている。リン化硼素系半導体からなる低温緩衝層と例えば、シリコン基板との界面近傍の領域に導入される歪等に因り、緩衝層と基板間の正常な通流は阻害される欠点がある。
【０００６】
本発明では、低温緩衝層に良導性を与える不純物の基板材料への浸透、拡散を回避しつつ、導電性に優れる低温緩衝層を提供できる技術手段を提示する。また、その技術手段を利用して構成した積層構造体、及びその積層構造体から構成された発光素子、ランプ並びに光源を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、導電性の単結晶からなる基板と、該基板の表面上に設けられた、硼素（Ｂ）とリン（Ｐ）とを構成元素として含むリン化硼素（ＢＰ）系半導体からなる、非晶質体を含む多結晶からなる、不純物を添加した低温緩衝層とを備えた積層構造体であって、特に次の（１）から（５）項に記載の特徴を有する積層構造体を提供する。
（１）低温緩衝層に添加する不純物が、リン（Ｐ）以上の原子半径を有する元素からなることを特徴とする積層構造体。
（２）導電性の基板が珪素（Ｓｉ（シリコン））単結晶からなり、低温緩衝層に添加する不純物が、珪素（Ｓｉ）以上の原子半径を有する元素からなることを特徴とする上記（１）に記載の積層構造体。
（３）導電性の基板がｐ形伝導性の単結晶からなり、低温緩衝層に添加する不純物が、亜鉛（Ｚｎ）からなることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の積層構造体。
（４）低温緩衝層上に、低温緩衝層に添加された不純物とは異なる元素を添加した、リン化硼素（ＢＰ）系半導体からなる導電層を備えていることを特徴とする上記（１）乃至（３）の何れか１項に記載の積層構造体。
（５）導電性の基板がｐ形伝導性の単結晶からなり、低温緩衝層上に設ける導電層をマグネシウム（Ｍｇ）を添加したリン化硼素系半導体層から構成したことを特徴とする上記（３）に記載の積層構造体。
【０００８】
また、本発明は、次の（６）及び（７）項に記載の発光素子を提供する。
（６）上記（１）乃至（５）の何れか１項に記載の積層構造体の表面をなす半導体層に接触させてオーミック（Ｏｈｍｉｃ）性の表面電極を設け、基板をなす導電性単結晶の裏面にオーミック性の裏面電極を設けて構成したことを特徴とする発光素子。
（７）積層構造体の表面の半導体層がｎ形であり、基板がｐ形伝導性の単結晶であることを特徴とする上記（６）に記載の発光素子。
【０００９】
また、本発明では、次記のランプ及び光源を提供する。
（８）上記（６）または（７）に記載の発光素子を利用して構成したことを特徴とするランプ。
（９）上記（８）に記載のランプを集合させて構成したことを特徴とする光源。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施形態に係わるＬＥＤ１Ｂ用途の積層構造体１Ａの断面構造を図１に模式的に例示する。
【００１１】
ダブルヘテロ（ＤＨ）構造型発光ダイオード（ＬＥＤ）用途の積層構造体１Ａは、基本的に次記の（Ａ）〜（Ｅ）項に記載の要素から構成できる。
（Ａ）ｎ形またはｐ形伝導性の導電性シリコン（Ｓｉ）或いはＢＰ（特公昭５５−３８３４号公報参照）、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ等からなる基板１０１
（Ｂ）非晶質体を含む多結晶のリン化硼素系半導体からなる導電性の低温緩衝層１０２
（Ｃ）リン化硼素系半導体層からなる下部障壁層１０３
（Ｄ）好ましくは下部障壁層１０３に格子整合する例えば、窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ：０≦Ｘ≦１）（上記の特公昭５５−３８３４号公報参照）または窒化リン化ガリウム（ＧａＮ_1-YＰ_Y：０≦Ｙ≦１）等のＩＩＩ族窒化物半導体からなる発光層１０４
（Ｅ）リン化硼素系半導体からなる上部障壁層１０５
【００１２】
硼素（Ｂ）とリン（Ｐ）とを構成元素として含むリン化硼素（ＢＰ）系半導体からなる低温緩衝層１０２は、例えば、一般式Ｂ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_{1- α - β - γ}Ｐ_{1- δ}Ａｓ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、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 - γ}Ｐ_{1- δ}Ｎ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、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。低温緩衝層１０２は、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、α＋β＝１）、リン化硼素・ガリウム混晶（Ｂ_αＧａ_δＰ：０＜α≦１、α＋δ＝１）、或いはリン化硼素・インジウム混晶（Ｂ_αＩｎ_{1- α}Ｐ：０＜α≦１）などから構成する。
【００１３】
非晶質体を含む多結晶からなるリン化硼素系半導体は、例えば、有機金属化学的気相堆積成長（ＭＯＣＶＤ）手段に依り、約２５０℃〜７５０℃で形成できる（米国特許６，１９４，７４４号参照）。特に、非晶質体を含む多結晶の低温緩衝層１０２は、基板１０１と下部障壁層１０３との格子不整合性を緩和して、ミスフィット（ｍｉｓｆｉｔ）転位等の結晶欠陥密度の小さい下部障壁層１０３をもたらす作用を発揮する（上記の米国特許６、０６９、０２１号参照）。また、低温緩衝層１０２を、下部障壁層１０３をなすリン化硼素系半導体を構成する元素（構成元素）を含むリン化硼素半導体から構成すると、その構成元素の「成長核」としての作用により、連続性のある下部障壁層１０３の形成が促進される利点がある。低温緩衝層１０２が単結晶層か非晶質を含む多結晶層であるかは、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ることができる。低温緩衝層１０２を構成する多結晶層の層厚は望ましくは約１ｎｍ以上で５００ｎｍ以下、更に望ましくは２ｎｍ以上で１００ｎｍ以下とする。
【００１４】
本発明の第１の実施形態に係わる技術手段の特徴は、低温緩衝層１０２に添加するｐ形またはｎ形不純物を限定していることにある。低温緩衝層１０２を構成する硼素（Ｂ）およびリン（Ｐ）以上の原子半径を有する不純物は、その大きな原子半径故に、リン化硼素（ＢＰ）系半導体結晶の内部でさして自由に移動できない。従って、基板材料内部への不純物の拡散を防止でき、低温緩衝層１０２との接合界面近傍の領域に於ける基板１０１の内部での歪みの発生を回避できる。硼素（Ｂ）の原子半径（ａｔｏｍｉｃ ｒａｄｉｕｓ）は約０．９８Åである。また、リン（Ｐ）の原子半径（＝ｒ）は約１．２８Åである。従って、第１の実施形態に好適な低温緩衝層に添加するｎ形不純物として、例えば、Ｓｉ（ｒ＝１．３２Å）、ゲルマニウム（Ｇｅ；ｒ＝１．３７Å）、錫（Ｓｎ；ｒ＝１．６２Å）、またｐ形不純物として、亜鉛（Ｚｎ；ｒ＝１．３８Å）、カドミウム（Ｃｄ；ｒ＝１．５４Å）等のリン（Ｐ）以上の原子半径を有する元素が例示できる。
【００１５】
また、特に導電性のシリコン（Ｓｉ）単結晶を基板として、その表面上に低温緩衝層１０２を設ける構成にあって、低温緩衝層１０２に添加するｐ形またはｎ形不純物を、基板１０１を構成する珪素（Ｓｉ）原子の原子半径（ｒ＝１．３２Å）以上の元素とすると、シリコン基板１０１の内部への不純物の浸透をも抑制でき、シリコン基板１０１に導入される歪みや結晶欠陥を減ずるに効果が奏される。硼素（ｒ＝０．９８Å）、リン（ｒ＝１．２８Å）及び珪素（ｒ＝１．３２Å）以上の原子半径を有するｎ形またはｐ形不純物として、ゲルマニウム（Ｇｅ；ｒ＝１．３７Å）や亜鉛（Ｚｎ；ｒ＝１．３８Å）を例示できる。従って、本発明の第２の実施形態の好例として、ｐ形シリコン基板上に、亜鉛を添加したｐ形リン化硼素（ＢＰ）からなる低温緩衝層を設ける構成を挙げられる。
【００１６】
本発明の第３の実施形態に係る発明は、ｐ形導電性の単結晶からなる基板１０１上に設けるに好適なｐ形低温緩衝層１０２の構成を提供するものである。亜鉛（Ｚｎ）は、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）及び珪素（Ｓｉ）よりも原子半径が大であり、リン化硼素系緩衝層１０２内部での移動が抑制される。また、例えば、シリコン基板の内部にも拡散し難いため基板の表層部が乱雑となるのを防止できる。亜鉛（Ｚｎ）より原子半径を大とする例えば、カドミウム（ｒ＝１．５４Å）または水銀（ｒ＝１．５７Å）では、結晶内の移動はより抑制され得る。しかし、結晶の格子間にこの様な原子半径の不純物が侵入すると規則的な結晶格子が乱れる。このため、不純物の電気的活性化が妨げられ、低い抵抗率のｐ形導電性の低温緩衝層１０２を安定して得るに妨げとなる。また、亜鉛（Ｚｎ）より、原子半径の大きな不純物の浸透に因り結晶格子が乱れると、例えばＬＥＤにあって、逆方向耐圧の不良を発生させるため好ましくない。
【００１７】
低温緩衝層１０２から基板１０１の表層領域へ浸透、拡散する低温緩衝層１０２に添加した不純物の原子濃度並びに濃度分布は、例えば２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）等の分析手段により解析できる。また、低温緩衝層１０２との接合界面近傍の基板１０１の内での歪み、積層欠陥等の結晶欠陥の発生の模様は、例えば透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を利用した断面ＴＥＭ技法により解析できる。断面ＴＥＭ像にあって、歪みの存在は明視野像に於ける黒色コントラストとして認められる。
【００１８】
本発明の第４の実施形態に係る発明は、特に発光素子用途の積層構造体に関する好適な構成を提供する。即ち、非晶質体を含む多結晶のリン化硼素系半導体からなる低温緩衝層１０２上には、特に結晶性に優れるリン化硼素系半導体層を積層され得ることを利用して積層構造体を構成するものである。特に、導電性に優れるリン化硼素系半導体層は例えば、下部障壁層１０３として好適に利用できる。
【００１９】
本発明の第４の実施形態では、リン化硼素系半導体層（例えば、下部障壁層１０３）は、７５０℃を越え１２００℃以下の温度で低温緩衝層１０２上に形成した単結晶層から構成するのが適する。１２００℃を越える高温では、例えば、Ｂ₁₃Ｐ₂等の多量体のリン化硼素が形成され易くなり、組成的に均質なリン化硼素系半導体層の形成が阻害され好ましくはない（Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃ．，４７（１）（１９６４）、４４〜４６頁参照）。特に、好ましくは８００℃〜９５０℃の温度で形成した、例えば、基板１０１の表面に平行に配列した｛１１０｝結晶面から主に構成されるリン化硼素系半導体層から構成する。
【００２０】
導電率の制御されたリン化硼素系半導体層は、ｐ形またはｎ形不純物を添加して得ることができる。導電性のリン化硼素系半導体層を得るには、低温緩衝層１０２と同一の不純物も利用できる。例えば、珪素（Ｓｉ）ドープｎ形低温緩衝層１０２上に、同じくＳｉをドーパント（ｄｏｐａｎｔ）としてリン化硼素系半導体層を積層させる例を挙げられる。リン化硼素系半導体層（例えば、下部障壁層１０３）については、低温緩衝層１０２により基板１０１とは距離的に隔離されているため、上記以外の原子半径を有する不純物をも利用できる。導電性のリン化硼素系半導体層を得るに好適な不純物では、原子半径の大小よりも、”浅い”ドナ（ｄｏｎｏｒ）またはアクセプタ（ａｃｃｅｐｔｏｒ）準位を形成する不純物であることが重要である。例えば、ｐ形のリン化硼素系半導体層を得るに好適に利用できる不純物としてマグネシウム（Ｍｇ）、ベリリウム（Ｂｅ）を例示できる。ｐ形伝導層の低温緩衝層１０２とリン化硼素系半導体層とから積層構造を構成するに際し、特に好適なのは低温緩衝層１０２のｐ形ドーパントを亜鉛（Ｚｎ）とし、リン化硼素系半導体層のｐ形ドーパントをマグネシウム（Ｍｇ）とする場合である。
【００２１】
７５０℃〜１２００℃において、（１）成長速度を毎分２ｎｍ以上で３０ｎｍ以下とし、（２）Ｖ族原料とＩＩＩ族原料との供給比率（Ｖ／ＩＩＩ比）を好ましくは１５以上で６０以下として形成した単量体のリン化硼素は、室温での禁止帯幅（ｂａｎｄ ｇａｐ）が３．０±０．２ｅＶと高く、障壁層として好適に利用できる。また、この高い禁止帯幅のリン化硼素を基材としたリン化硼素系半導体からも障壁層を構成できる。例えば、禁止帯幅を３．１ｅＶとする単量体リン化硼素（ＢＰ）とリン化ガリウム（ＧａＰ：室温での禁止帯幅≒２．３ｅＶ）との混晶である、室温での禁止帯幅を約２．７ｅＶとする窒化リン化ガリウム混晶（Ｂ_0.50Ｇａ_0.50Ｐ）から好適に下部障壁層１０３を構成できる。禁止帯幅は例えば、屈折率（＝ｎ）と消衰係数（＝ｋ）から求められる複素誘電率の虚数部（ε₂＝２・ｎ・ｋ）の光エネルギー依存性から求められる。
【００２２】
また、低温緩衝層１０２との接合界面で低温緩衝層１０２と同一の格子定数を有し、且つ、発光層１０４側の表面で発光層１０４に格子整合するリン化硼素系半導体層は、ミスフィット（ｍｉｓｆｉｔ）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。緩衝層１０２及び発光層１０４の双方の層に格子整合するリン化硼素系半導体層は、硼素（Ｂ）等の第ＩＩＩ族の若しくはリン（Ｐ）等の第Ｖ族の構成元素の組成に勾配を付した組成勾配層から構成できる（特開２０００−２２２１１号公報参照）。構成元素の組成勾配は、層厚の増加方向に一律に、または段階的に、或いは非直線的に増減させる何れの様式でも付すことができる。例えば、シリコン基板１０１に格子整合するリン化硼素・ガリウム混晶（Ｂ_0.02Ｇａ_0.98Ｐ）からなる低温緩衝層１０２上に、緩衝層１０２との接合面から例えば、窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎ：格子定数≒４．５５７Å）からなる発光層１０４との接合面に向けて、硼素組成比（＝Ｘ）を０．０２からを０．９８に直線的に増加させたリン化硼素・ガリウム組成勾配層（Ｂ_αＧａ_δＰ：α＝０．０２→０．９８、対応してδ＝０．９８→０．０２）から構成できる。
【００２３】
発光層１０４は、例えば、青色帯の短波長可視光を放射できる窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ：０≦Ｘ≦１）等のＩＩＩ族窒化物半導体から構成する（上記の特公昭５５−３８３４号公報参照）。また、窒化リン化ガリウム（ＧａＮ_1-XＰ_X：０≦Ｘ≦１）から構成できる（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６０（２０）（１９９２）、２５４０〜２５４２頁参照）。また、砒化窒化ガリウム（ＧａＮ_1-XＡｓ_X：０≦Ｘ≦１）から構成できる。発光層１０４は、これらのＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を井戸（ｗｅｌｌ）層とする単一（ｓｉｎｇｌｅ）または多重（ｍｕｌｔｉ）量子井戸（ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）構造から構成できる。量子井戸構造から構成された発光層１０４からは単色性の良好な発光がもたらされる利点がある。
【００２４】
発光層１０４上に、上部障壁層１０５を設ければ、ダブルヘテロ（ＤＨ）構造型の発光部を構成できる。上部障壁層１０５は、上記の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及びそれを基材としたリン化硼素系混晶から構成できる。また、窒化ガリウム（ＧａＮ）或いは窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_XＧａ_1-XＮ：０＜Ｘ＜１）等のＩＩＩ族窒化物半導体から構成できる。
【００２５】
本発明に係わるダブルヘテロ接合構造型のＬＥＤ１Ｂは、例えば上部障壁層１０５上にオーミック性の表面電極１０６を設け、また、基板１０１の裏面にオーミック性の裏面電極１０７を配置して構成する。上部障壁層１０５をリン化硼素系半導体から構成した場合、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リン化硼素系半導体層からは、発光を取り出し方向に透過する窓層を兼用する表面オーミック電極１０６用途のコンタクト層を好適に構成できる。
【００２６】
本発明に係わるランプ１０は、例えば、次の如くの手順をもって構成できる。図２に例示する如く、例えば、ＬＥＤ１Ｂ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金属性碗体１６の中央部に、導電性の接合材で固定する。これより、ＬＥＤ１Ｂを構成するために利用した導電性の基板１１の裏面に設けた裏面電極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、ＬＥＤ１Ｂの例えば、上部障壁層１２上に設置した表面電極１３を台座１５に付属する他の一方の端子１８に結線する。次ぎに、ＬＥＤ１Ｂをエポキシ樹脂等の封止材料で囲繞してランプとする。
【００２７】
また、本発明に係わるランプ１０を集合させれば、光源を構成できる。例えば、複数のランプ１０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。これらの光源は、従来の白熱蛍光型ランプに比較して、点灯に電力を要しないため、低消費電力型でしかも長寿命の光源として特に有用に利用できる。例えば、室内照明用光源として利用できる。また、例えば、屋外表示器用途や間接照明用途の光源として利用できる。
【００２８】
【実施例】
（第１実施例）
本実施例では、ｐ形珪素（Ｓｉ）単結晶基板上にｐ形不純物を添加したリン化硼素系半導体からなる低温緩衝層を備えた積層構造体から、青色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。
【００２９】
本第１実施例に係わるＬＥＤ２Ｂの断面模式図を図３に示す。ＬＥＤ２Ｂは、次記の（１）項に記す基板１０１上に順次、（２）〜（５）項に記載の機能層を積層させた積層構造体２Ａに、（６）〜（７）項に記載のオーミック性の表面及び裏面電極を配置して構成した。
（１）硼素（Ｂ）ドープでｐ形の（１１１）面を有するＳｉ単結晶基板１０１
（２）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、亜鉛（Ｚｎ；原子半径（ｒ）≒１．３８Å）ドープの非晶質を主体とした多結晶のリン化硼素（ＢＰ）からなる低温緩衝層１０２。低温緩衝層１０２中の亜鉛の原子濃度は４×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、層厚は２５ｎｍとした。
（３）上記のＭＯＣＶＤ気相成長手段を利用して、８５０℃でマグネシウム（Ｍｇ）をドーピングした、基板１０１表面に略平行に配列した｛１１０｝結晶面から主になるｐ形リン化硼素（ＢＰ）からなる下部障壁層１０３（キャリア濃度≒４×１０¹⁸ｃｍ^-3、層厚≒７００ｎｍ）
（４）立方晶のｎ形Ｇａ_0.94Ｉｎ_0.06Ｎ層（格子定数＝４．５３８Å）から主になる発光層１０４（キャリア濃度≒４×１０¹⁷ｃｍ^-3、層厚≒１８０ｎｍ）
（５）上記のＭＯＣＶＤ反応系により４００℃で成長させた、室温での禁止帯幅を３．１ｅＶとする、非晶質を主体とする珪素（Ｓｉ）ドープｎ形のリン化硼素（ＢＰ）層からなる上部障壁層１０５（キャリア濃度≒６×１０¹⁶ｃｍ^-3、層厚≒６５０ｎｍ）
（６）上部障壁層１０５の中央に配置した金・ゲルマニウム（Ａｕ・Ｇｅ）円形電極（直径＝１２０μｍ）からなるオーミック性の表面電極１０６
（７）ｐ形Ｓｉ基板１０１の裏面の略全面に設けた、アルミニウム（Ａｌ）からなるオーミック性の裏面電極１０７。
【００３０】
２次イオン質量分析法に依り、深さ方向の亜鉛（Ｚｎ）の原子濃度を測定したところ、低温での緩衝層１０２の成長後において、Ｓｉ基板１０１内部への亜鉛不純物の浸透は殆ど確認されなかった。また、高温（＝８５０℃）での成長過程を経て積層構造体２Ａを構成した後においても、Ｓｉ基板１０１への内部への亜鉛の浸透距離は高々、５０ｎｍ以内となった。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を利用した明視野断面ＴＥＭ技法に依る解析では、低温緩衝層１０２と接合をなすＳｉ基板１０１の表層部には、歪みに因る黒色コントラストも特に視認されなかった。
【００３１】
構成された青色ＬＥＤ２Ｂは、次の（ａ）〜（ｄ）項に記載の特性を呈する高輝度のＬＥＤとなった。
（ａ）発光中心波長：４１０ｎｍ
（ｂ）輝度：６ミリカンデラ（ｍｃｄ）
（ｃ）順方向電圧：３ボルト（Ｖ）（順方向電流＝２０ｍＡ）
（ｄ）逆方向電圧：８Ｖ（逆方向電流＝１０μＡ）
特に、低温緩衝層１０２に添加した亜鉛（Ｚｎ）のＳｉ基板１０１内部への拡散が抑制され、低温緩衝層１０２との接合界面の近傍の領域でＳｉ基板１０１が乱雑となるのが回避されたため、ＬＥＤ２Ｂに逆方向電圧を印加した際の局所的な耐圧の不良（ローカルブレイクダウン：ｌｏｃａｌ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）は殆ど認められなかった。
【００３２】
（第２実施例）
本実施例では、ｎ形Ｓｉ単結晶基板上にｎ形不純物を添加したリン化硼素系半導体からなる低温緩衝層を備えた積層構造体から、青色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。
【００３３】
本第２実施例では、次記の（１）項に記す基板上に順次、（２）〜（５）項に記載の機能層を積層させた積層構造体に、（６）〜（７）項に記載のオーミック性の表面及び裏面電極を配置して構成した。
（１）アンチモン（Ｓｂ）ドープでｎ形の（１００）面を有するＳｉ単結晶基板
（２）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４００℃で成長させた、錫（Ｓｎ：ｒ≒１．６２Å）ドープの非晶質を主体とした、基板のＳｉと同一の格子定数のリン化硼素・インジウム（Ｂ_0.67Ｉｎ_0.33Ｐ：格子定数≒５．４３１Å）からなる多結晶の低温緩衝層。低温緩衝層の内部の２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）に依る錫（Ｓｎ）の原子濃度は２×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。また、層厚は３５ｎｍとした。
（３）上記のＭＯＣＶＤ気相成長手段を利用して、８００℃で珪素（Ｓｉ）をドーピングした、（１００）基板表面に略平行に配列した｛１１０｝結晶面から主になるｎ形リン化硼素・インジウム（Ｂ_XＩｎ_1-XＰ：Ｘ＝０．３３→０．９９）組成勾配層からなる下部障壁層（キャリア濃度≒１×１０¹⁸ｃｍ^-3、層厚≒５２０ｎｍ）。組成勾配層の硼素（Ｂ）組成比（＝Ｘ）は、低温緩衝層との接合界面で０．３３とし、それより発光層との接合界面に向けて０．９９と一律に増加させてある。
（４）８００℃で成長させた、Ｂ_0.99Ｉｎ_0.01Ｐと同一の格子定数を有する立方晶のｎ形Ｇａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎ層（格子定数＝４．５５７Å）から主になる発光層（キャリア濃度≒５×１０¹⁷ｃｍ^-3、層厚≒９５ｎｍ）。
（５）上記のＭＯＣＶＤ反応系により３５０℃で成長させた、室温での禁止帯幅を３．０ｅＶとする、非晶質を主体とするマグネシウム（Ｍｇ）ドープｐ形リン化硼素・インジウム混晶（Ｂ_0.99Ｉｎ_0.01Ｐ）層からなる上部障壁層（キャリア濃度≒９×１０¹⁶ｃｍ^-3、層厚≒７００ｎｍ）
（６）上部障壁層の中央に配置した金・亜鉛（Ａｕ・Ｚｎ）円形電極（直径＝１３０μｍ）からなるオーミック性の表面電極
（７）ｎ形Ｓｉ基板の裏面の略全面に設けた、アルミニウム（Ａｌ）からなるオーミック性の裏面電極。
【００３４】
２次イオン質量分析法に依り、深さ方向の錫（Ｓｎ）の原子濃度を測定したところ、低温での緩衝層の成長後において、Ｓｉ基板内部への錫（Ｓｎ）原子の浸透は殆ど確認されなかった。また、高温（＝８００℃）での成長過程を経て積層構造体を構成した後においても、Ｓｉ基板への内部への亜鉛の浸透距離は高々、２０ｎｍ以内となった。また、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を利用した明視野断面ＴＥＭ技法に依る解析では、低温緩衝層と接合をなすＳｉ基板の表層部には、錫（Ｓｎ）の浸透に伴う歪みに因る黒色コントラストも特に視認されなかった。
【００３５】
上記の手段に依れば、次の（ａ）〜（ｄ）項に記載の特性を呈する高輝度の青色ＬＥＤが提供された。
（ａ）発光中心波長：４３０ｎｍ
（ｂ）輝度：８ミリカンデラ（ｍｃｄ）
（ｃ）順方向電圧：３ボルト（Ｖ）（順方向電流＝２０ｍＡ）
（ｄ）逆方向電圧：８Ｖ（逆方向電流＝１０μＡ）
特に、低温緩衝層に添加した錫（Ｓｎ）のＳｉ基板内部への拡散が抑制され、低温緩衝層との接合界面の近傍の領域でＳｉ基板が乱雑となるのが回避されたため、逆方向電圧を印加した際の局所的な耐圧の不良（ｌｏｃａｌ ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）は殆ど認められなかった。
【００３６】
【発明の効果】
本発明に依れば、リン化硼素（ＢＰ）系半導体層からなる非晶質を含む多結晶の低温緩衝層に添加する不純物をリン（Ｐ）原子よりも原子半径を大とする元素としたので、低温緩衝層内部での不純物の移動が避けられ、しいては、低温緩衝層との接合領域において基板結晶が乱雑となるのを回避できるため、耐圧に優れる高輝度の発光素子を提供できる。
【００３７】
特に、本発明に依れば、導電性のシリコン単結晶基板上にリン化硼素系半導体からなる低温緩衝層を設ける構成にあって、低温緩衝層に添加する不純物を硼素、リン及び珪素（Ｓｉ）の何れよりも原子半径を大とする元素としたので、不純物の低温緩衝層内部での移動、並びにシリコン単結晶基板内部への浸透が抑制されるため、低温緩衝層との接合界面近傍の領域でＳｉ基板が乱雑となるのを防止でき、従って、耐圧特性に優れる発光素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるＬＥＤ用途の積層構造体の断面模式図である。
【図２】 本発明に係わるランプの構造を示す断面模式図である。
【図３】本発明の第１実施例に係わるＬＥＤの断面模式図である。
【符号の説明】
１Ａ、２Ａ 積層構造体
１Ｂ、２Ｂ ＬＥＤ
１０ ランプ
１１ 基板
１２ 上部障壁層
１３ 表面電極
１４ 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 低温緩衝層
１０３ 下部障壁層
１０４ 発光層
１０５ 上部障壁層
１０６ 表面電極
１０７ 裏面電極

Claims (4)

1. 導電性の単結晶からなる基板と、該基板の表面上に設けられた、硼素（Ｂ）とリン（Ｐ）とを構成元素として含むリン化硼素（ＢＰ）系半導体からなる、非晶質体を含む多結晶からなる、不純物（ドーパント）を添加した低温緩衝層と、その上にリン化硼素（ＢＰ）系半導体からなる導電層を備えた積層構造体であって、低温緩衝層に添加する不純物が、リン（Ｐ）以上の原子半径を有する元素であり、導電層に添加する不純物が、低温緩衝層に添加された不純物と同一の伝導形を形成するものであって、かつ異なる元素であることを特徴とする積層構造体。
2. 導電性の基板が珪素（Ｓｉ（シリコン））単結晶からなり、低温緩衝層に添加する不純物が、珪素（Ｓｉ）以上の原子半径を有する元素からなることを特徴とする請求項１に記載の積層構造体。
3. 導電性の基板がｐ形伝導性の単結晶からなり、低温緩衝層に添加する不純物が、亜鉛（Ｚｎ）からなることを特徴とする請求項１または２に記載の積層構造体。
4. 導電性の基板がｐ形伝導性の単結晶からなり、低温緩衝層上に設ける導電層をマグネシウム（Ｍｇ）を添加したリン化硼素系半導体層から構成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の積層構造体。

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