JP3698081B2 - COMPOUND SEMICONDUCTOR DEVICE, ITS MANUFACTURING METHOD, LIGHT EMITTING DEVICE AND LAMP - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特定の結晶面を有する含硼素III−V族化合物半導体層を利用して、化合物半導体素子を構成するための技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
III−V族化合物半導体の一種として、リン化硼素(BP)等の硼素(B)を含む含硼素III−V族化合物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)。例えば、リン化硼素(BP)は、フィリップス(Philips)のイオン結合度が0.006と小さい(フィリップス著、「半導体結合論」(1985年7月25日、(株)吉岡書店発行第3刷、51頁参照)。また、閃亜鉛鉱(zinc−blend)型の立方晶であるため、縮退した価電子帯のバンド構造を有する(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)、14〜17頁参照)。このため、リン化硼素にあっては、p形の導電層を容易に獲得できる利点が備わっている。
【0003】
従来において、含硼素III−V族化合物半導体層は、珪素(Si)単結晶を基板とする様々な化合物半導体素子を構成するに利用されている。例えば、リン化硼素層を利用したヘテロバイポーラトランジスタ(HBT)が知れている(J.Electrochem.Soc.,125(4)(1978)、633〜637頁参照)。また、リン化硼素層をウィンドウ(window)層として利用した太陽電池がある(上記のJ.Electrochem.Soc.,参照)。また、リン化硼素並びにその混晶を利用して、青色帯或いは緑色帯の発光ダイオード(LED)或いはレーザダイオード(LD)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)。
【0004】
従来の技術において、化合物半導体素子は、{100}または{111}結晶面が重層した含硼素III−V族化合物半導体層を利用して構成されている。例えば、(100)結晶面を表面とするSi単結晶基板上に形成した(100)結晶面からなるリン化硼素層を利用して構成されている(上記のJ.Electrochem.Soc.125(1978)参照)。即ち、基板の表面をなす結晶面と同一の面指数の結晶面からなる含硼素III−V族化合物半導体層(庄野 克房著、「半導体技術(上)」(1992年6月25日、(財)東京大学出版会発行、9刷)、99頁参照)、例えば、{111}結晶面を表面とする珪素単結晶基板上に形成された{111}結晶面からなるリン化硼素層(上記の「半導体技術(上)」、77頁参照)を利用して構成されるものとなっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、基板表面の結晶面と同一の面指数の結晶面からなる含硼素III−V族化合物半導体層(Jpn.J.Appl.Phys.,13(3)(1974)、411〜416頁参照)を得るには1000℃を越える高温を要する(西永 頌、「応用物理」、第45巻第9号(1976)、891〜897頁参照)。この様な高温では、含硼素III−V族化合物半導体層内にドーピングされた不純物の拡散が顕著に生じる。この不純物の拡散に起因して、含硼素III−V族化合物半導体層の内部に於ける不純物の濃度が変化し、キャリア濃度を変化させてしまう。このため、例えば、発光ダイオード(LED)にあって、順方向電圧(所謂、Vf)を不安定とするなど素子特性上の問題点を誘発している。
【0006】
また、基板表面の結晶面と同一の面指数の結晶面からなる含硼素III−V族化合物半導体層が得られるのは極めて狭い温度範囲に限定されている。例えば、{100}結晶面を表面とする珪素単結晶上に、{100}結晶面からなるリン化硼素結晶層が形成できる温度は1030℃〜1080℃の高々、50℃の範囲に限られている(上記の「応用物理」、第47巻参照)。より高温では多結晶層となるとされる(上記の「応用物理」参照)。従って、そもそも含硼素III−V族化合物半導体層が安定して得られ難いと云う問題があった。
【0007】
本発明は、従来の単結晶基板の表面と同一の面指数の結晶面である{100}または{111}結晶面からなる含硼素III−V族化合物半導体層を利用して化合物半導体素子を構成する際の従来技術の問題点を克服すべくなされたもので、広い温度範囲において安定して得られる{110}結晶面からなる含硼素III−V族化合物半導体層を利用して化合物半導体素子を構成する技術手段を提供するものである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、
(1)単結晶の基板の表面上に設けられた、{110}結晶面からなる、硼素(B)を構成元素とする含硼素III−V族化合物半導体層(本明細書中では、{110}−含硼素III−V族化合物半導体層と略す)を備えてなる化合物半導体素子であって、上記の単結晶基板の表面を水平の基準として、傾斜角度を20度(°)以下とする{110}結晶層からなる{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を備えていることを特徴とする化合物半導体素子。
である。
【0009】
また本発明は、
(2)上記の{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を、非晶質を含む多結晶の含硼素III−V族化合物半導体からなる緩衝層を介して設けたことを特徴とする上記(1)に記載の化合物半導体素子。
である。
【0010】
また本発明は、
(3)上記の{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を、導電性の珪素(Si)単結晶(シリコン)からなる基板上に設けたことを特徴とする上記(1)または(2)に記載の化合物半導体素子。
である。
【0011】
また本発明は、
(4)上記の{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を設けるための単結晶の基板を、{100}結晶面を表面とする珪素単結晶としたことを特徴とする上記(3)に記載の化合物半導体素子。
(5)上記の{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を設けるための単結晶の基板を、{111}結晶面を表面とする珪素単結晶としたことを特徴とする上記(3)に記載の化合物半導体素子。
である。
【0012】
また本発明は、
(6){110}−含硼素III−V族化合物半導体層を、単結晶基板上に、750℃以上1200℃以下の温度で、硼素の原料に対するV族元素の原料の供給比率を20以上で60以下として形成することを特徴とする上記(1)乃至(5)の何れか1項に記載の化合物半導体素子の製造方法。
(7){110}−含硼素III−V族化合物半導体層を、単結晶基板上に、有機金属熱分解気相成長(MOCVD)法に依り、800℃以上950℃以下の温度で、トリエチル硼素((C253B)を硼素の原料とし、ホスフィン(PH3)をリンの原料として、硼素の原料に対するV族元素の原料の供給比率を20以上で60以下として形成することを特徴とする上記(6)に記載の化合物半導体素子の製造方法。
である。
【0013】
また本発明は、
(8)上記(1)乃至(5)に記載の化合物半導体素子からなる発光素子。
(9)上記(8)に記載の発光素子からなるランプ。
である。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明の第1の実施形態では、従来の単結晶基板の表面をなす結晶面と同一の面指数を有する{100}または{111}結晶面からなる含硼素III−V族化合物半導体層ではなく、基板表面をなす結晶面とは異なる{110}結晶面からなる含硼素III−V族化合物半導体層({110}−含硼素III−V族化合物半導体層)を利用して化合物半導体素子を構成する。記号{110}は、例えば、結晶面を構成する原子の種類、数、及び位置を(1.1.0.)結晶面と同一とする結晶面の総称である(C.W.BUNN著、「化学結晶学」(昭和45年6月15日、(株)培風館発行初版、23〜24頁参照)。具体的には、(1.1.0.)、(−1.1.0.)、(−1.−1.0.)、(1.−1.0.),(1.0.1.),(−1.0.1.)、(0.1.1.)結晶面等である。
【0015】
本発明に係わる{110}−含硼素III−V族化合物半導体層は珪素、リン化ガリウム(GaP)、砒化ガリウム(GaAs)、炭化珪素(SiC)(J.Appl.Phys.,42(1)(1971)、420〜424頁参照)、リン化硼素(BP)(▲1▼特公昭55−3834号公報、及び▲2▼Z.Anorg.Allg.Chem.,349(1967)、151〜157頁参照)等の半導体単結晶を基板として形成できる。また、サファイア(α−Al23)等の酸化物単結晶も基板として利用できる。例えば、発光素子を構成するに際しては、電極を簡便に形成できることから、導電性の例えば、珪素単結晶或いは炭化珪素単結晶を基板材料として推奨できる。一方、ドレイン(drain)電流の漏洩の少ない電界効果型トランジスタ(FET)を構成するには、高抵抗或いは絶縁性のサファイア或いは他の酸化物結晶を基板とするのが優位である。
【0016】
上記の基板材料上には、有機金属化学的気相堆積(MOCVD)法(Inst.Phys.Conf.Ser.,No.129(1993 IOP Publishing Ltd.,)、157〜162頁参照)、ハロゲン(halogen)法((社)電子通信学会/半導体・トランジスタ研究会資料(資料番号SSD74−85〜90(1975−03)(1975年3月25日)参照)、ハイドライド(hydride)法(上記のJpn.J.Appl.Phys.,13(1974)参照)、分子線エピタキシャル(MBE)法(J.Solid State Chem.,133(1997)、269〜272頁参照)等の気相成長手段に依り、{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を形成できる。
【0017】
特に、MOCVD気相成長手段では、他の気相成長手段と比較して次の(a)〜(c)に記す特徴が有り、含硼素III−V族化合物半導体層の成長に有利である。
(a)MBE法に比較して、成長環境に於けるリン(P)等の分圧を容易に制御でき、従って、化学量論的に均衡のとれた含硼素III−V族化合物半導体層をもたらせる。
(b)ハロゲン法で硼素(B)の原料として用いられる三臭化硼素(BBr3)(上記の「半導体・トランジスタ研究会資料」参照)、或いは三塩化硼素(BCl3)(「日本結晶成長学会誌」、24(2)(1997)、150頁参照)よりも易分解性の有機硼素化合物を硼素源として利用できるため、より低温で含硼素III−V族化合物半導体層の成膜が可能である。
(c)トリメチル硼素((CH33B))等の有機硼素化合物は、ハイドライド法で硼素源として用いられるジボラン(B26)よりも易分解性であるため、低温での成膜が可能となり、熱膨張率の差異に起因する基板表面からの含硼素III−V族化合物半導体層の剥離を回避できる利点がある。
【0018】
常圧(略大気圧)或いは減圧MOCVD法に依れば、{110}−含硼素III−V族化合物半導体層は、基板温度を750℃以上で1200℃以下として形成できる。1200℃を越える高温では、例えばB132等の多量体の発生を招き、均質な結晶層の形成が阻害され不都合となる(J.Am.Ceram.Soc.,47(1)(1964)、44〜46頁参照)。例えば、トリエチル硼素((C253B)/ホスフィン(PH3)/水素(H2)反応系を利用するMOCVD手段では、好ましくは約800℃〜約1000℃の約200℃と広い基板温度範囲で{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を得ることができる。PH3をリン(P)源とすれば、ハロゲン法でのリン(P)源である三塩化リン(PCl3)等による含硼素III−V族化合物半導体層或いは基板の浸食(etching)を回避でき、従って、平坦な表面の含硼素III−V族化合物半導体層をもたらすに貢献できる。
【0019】
基板温度を上記の好適な範囲に設定するのみでは、方位の揃った{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を充分に安定して得ることはできいない。一例として、MOCVD手段に依り、{100}−珪素単結晶基板上に温度850℃で成膜したリン化硼素(BP)層の結晶組織構造を図1の断面模式図に示す。リン化硼素層2を構成する{110}−結晶面は、{100}−基板1の表面に対して必ずしも画一的な角度をもって発達しているのではない。例えば、リン化硼素層2の内部の領域2aでは、{110}結晶面は、基板1の表面を水平の基準3として約30度(°)の角度をなしている。別の領域2bでは、上記の水平基準に対し、約35度(°)の角度をもった{110}−結晶面が存在している。総じて云えば、単に基板温度を上記の範囲に設定したのみでは、リン化硼素結晶の{110}結晶面の発達する方位は水平基準3に対して約35°以内の角度範囲となっている。基板表面(水平基準面3)に対する、{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を構成する{110}結晶面の配向の角度は、例えば、一般的な4結晶X線回折法に依り解析できる。4結晶X線回折法を利用した解析において、結晶面の配向の度合(水平基準面に対する傾斜角度)は、基板表面の入射X線に対する傾斜の角度を表す、一般にオメガ(ω)値として計測される。
【0020】
成長温度を850℃とし、加えて、硼素の原料(硼素源)とリン源とのMOCVD反応系への供給量の比率、所謂、V/III比率を40に設定した場合のリン化硼素層を構成する{110}結晶面からのX線回折強度の分布を図2に例示する。入射X線の波長を1.54Å(銅(Cu)Kα1線の波長)とした4結晶X線回折に於ける{110}結晶面からのブラッグ(Bragg)回折角度は28.8°であり、その角度の範囲は±0.01°の範囲に収まるものとなる(図2の縦軸値参照)。即ち、{110}−リン化硼素層を構成する{110}結晶面の間隔は約3.20Åと均一となっている。また、水平面とした基板表面に対する角度(図1参照)は20°以内に縮小できる(図2の横軸値参照)。この様な水平面とした基板表面に対する傾斜角度を20°以内とする含硼素III−V族化合物半導体層は、基板温度750℃〜1200℃の範囲で、より好ましくは基板温度を約800℃〜約1000℃とした上で、V/III比率を5以上で60以下の範囲とすることで得られる。V/III比率を5未満とすると、含硼素III−V族化合物半導体層を構成する例えばリン(P)、砒素(As)或いは窒素(N)の揮散が顕著となり表面モフォロジー(morphology)を悪化させる不都合を来す。逆に、V/III比率を60を越える高比率とすると、III族構成元素の空孔密度が増大し、それに伴い発生する点欠陥に因り、含硼素III−V族化合物半導体層の結晶性を悪化させる不都合を生ずる。
【0021】
基板表面の水平面に対し、水平面に対する角度が小さく、即ち、理想的には水平面に水平に成長した{110}−含硼素III−V族化合物半導体層は、上層として、配向(orientation)を均一とする結晶層をもたらす作用を有する。例えば、配向が画一的であるが故に、高い電子移動度を発揮する、窒化ガリウム・インジウム(GaXIn1-XN:0≦X≦1)等のIII族窒化物半導体からなる電子走行層等の活性層をもたらせる。また、配向の揃った均質な例えば、GaXIn1-XN(0≦X≦1)または窒化リン化ガリウム(GaN1-YY:0≦Y≦1)等のIII族窒化物半導体からは、面内において均一な強度の発光をもたらす発光層を提供できる。特に、{110}−含硼素III−V族化合物半導体層に格子整合する材料から活性層を構成すると、格子ミスフィット(misfit)に起因するミスフィット転位等の結晶欠陥の少ない結晶性に優れる活性層をもたらせる。例えば、{110}−リン化硼素(BP:格子定数=4.538Å)層上には、立方晶のGa0.94In0.06N(格子定数=4.538Å)からなる良好な結晶性の活性層を設けることができる。
【0022】
非晶質を含む多結晶の緩衝層を介して、含硼素III−V族化合物半導体層を形成することとすると、配向の揃った{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を安定して得るに特に、効果が挙げられる。また、緩衝層を同じく硼素を構成元素として含む含硼素III−V族化合物半導体から構成すると、緩衝層をなす硼素原子の「成長核」、「吸着サイト(site)」としての作用に依り、平滑で連続性のある{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を得られる効果がある。緩衝層は例えば、BαAlβGaγIn1-( α + β + γ )P(0<α≦1、0≦β<1、0≦γ<1、0<α+β+γ≦1)等のリン化硼素(BP)系混晶から構成できる。また、例えば、BαAlβGaγIn1-( α + β + γ )As(0<α≦1、0≦β<1、0≦γ<1、0<α+β+γ≦1)等の砒化硼素(BAs)系混晶から構成できる。或いは、例えば、BαAlβGaγIn1-( α + β + γ )N(0<α≦1、0≦β<1、0≦γ<1、0<α+β+γ≦1)等の窒化硼素(BN)系混晶から構成する。構成する元素種の増加に伴い組成の安定した混晶を得るのはより困難となるため(上記の「半導体デバイス概論」、24頁参照)、緩衝層は2元(2元素結晶)或いは3元混晶から構成するのが望ましい。例えば、リン化硼素(BP)、またはリン化硼素・ガリウム(BαGaγP:0<α≦1、0≦γ<1、α+γ=1)やリン化硼素・インジウム(BαIn1- αP:0<α≦1)等の3元混晶から構成するのが好ましい。
【0023】
非晶質を含む多結晶層の含硼素III−V族化合物半導体、例えば、リン化硼素(BP)からなる緩衝層は、例えば、トリエチル硼素((C253B)/ホスフィン(PH3)/水素(H2)反応系を利用したMOCVD成長手段に依り、基板温度を約250℃〜約750℃に設定して得られる。(C253Bは、(CH33Bと比較してもより分解し易いため、低温での成膜に好適な硼素源として使用できる。しかし、250℃未満の低温では、リン(P)源のPH3の熱分解が充分に進行しないために成膜を果たせない。上記の温度範囲の比較的低温では、非晶質を主体とする多結晶のBP層が得られ易い。約500℃を越える高温では、非晶質と単結晶粒からなる多結晶層となる傾向がある。750℃を越える高温では単結晶のBP層が得られ易くなる。単結晶のBP層では、基板と含硼素III−V族化合物半導体層との間の格子不整合性を緩和する作用が充分に発揮されず、結晶性に劣る{110}−含硼素III−V族化合物半導体層が帰結されるため好ましくはない。本発明の第2の実施形態の一例として、<1.0.0.>結晶方向に12度(°)の角度で傾斜した(1.1.1.)結晶面を表面とする珪素単結晶基板上に、上記のMOCVD成長手段を利用し、350℃で、非晶質を含む多結晶のリン化硼素からなる緩衝層を堆積する例を挙げられる。緩衝層を構成する結晶的な要素は、例えば、X線回折法を利用して調査できる。単結晶粒を内包する非晶質からなる多結晶層のX線回折パターンは、ハロー状の回折環と斑点(spot)回折点とが混在したものとなる。
【0024】
本発明の第3の実施形態では、特に、珪素単結晶を基板として{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を設けることとする。珪素単結晶(シリコン;融点=1420℃)は、GaP(融点=1467℃、融点での解離圧=35気圧)またはGaAs(融点=1238℃、融点での解離圧=1気圧)に比較して融点(=1420℃)での解離圧を1.33×10-3hPaと低くする(「III−V族化合物半導体」(1994年5月20日、(株)培風館発行、初版)、148頁参照)。従って、高温で{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を成膜する際にも、表面の変質を来さない基板として利用できる。また、同じく耐熱性に優れる炭化珪素或いはサファイア(sapphire)と比較しても、導電性に優れる大口径の珪素単結晶は簡便に入手できるため、化合物半導体素子の工業的生産に適する基板材料である。
【0025】
珪素単結晶は、[110]結晶方向に劈開を呈する、立方晶の閃亜鉛鉱(zinc−blend)型結晶である(上記の「半導体デバイス概論」、28頁参照)。本発明の第4の実施形態では、{100}結晶面を表面とする珪素単結晶を基板として化合物半導体素子を構成する。{100}結晶面を表面とする珪素単結晶にあって、{100}結晶表面に直交する4側面は何れも{110}結晶面である。従って、{100}結晶面を表面とする珪素単結晶を基板とすれば、{110}方向での劈開性を利用して簡便に直方体状の化合物半導体素子に分割できる利点がある。劈開により露出させた{110}結晶面は平滑な面であるため、例えば、レーザダイオード(LD)の光共振面を構成するに好都合に貢献できる。また、{110}−含硼素III−V族化合物半導体層の成長を促進するキンク(kink)或いはテラス(terrace)を有する(渡辺 伝次郎他著、「材料科学講座6 薄膜・表面現象」((株)朝倉書店発行)、231〜232頁参照)、例えば、[110]結晶方向に角度にして数度傾斜した{100}結晶面を表面とする珪素単結晶も基板として有効に利用できる。
【0026】
また、本発明の第5の実施形態では、{111}結晶面を表面とする珪素単結晶を基板として化合物半導体素子を構成する。{111}結晶面では、{100}結晶面に比較して珪素(Si)原子の存在する密度は約2倍であり、空隙が少ない。このため、含硼素III−V族化合物半導体層を構成する例えば、硼素(B)原子の珪素単結晶内部への侵入、拡散を抑制する作用が発揮され、珪素単結晶基板と含硼素III−V族化合物半導体層との接合界面の非平坦化、乱雑化を回避するに効果を奏する。{111}結晶面を表面とする{111}−珪素単結晶基板上に成長させた{110}−リン化硼素結晶層のX線回折結果を図3に示す。ブラッグ回折角度は上記の{100}−珪素単結晶を基板とした場合と同様に28.8°±0.01°と均一である。即ち、{110}−リン化硼素結晶面の面間隔は{100}−珪素単結晶基板の場合と同じく約3.20Åとなっている。一方、{111}結晶面を水平の基準面に対する{110}−リン化硼素結晶面のなす角度は15°以内と、{100}−珪素単結晶基板の場合より、より画一化された配向となっている。この様に、{111}結晶面では、{100}結晶面に比較して表面の平坦性を良好に維持できるため、より配向の揃った{110}−リン化硼素結晶層が得られるのが特徴である。
【0027】
特に、[110]結晶方位に傾斜した{111}結晶面を表面とする珪素単結晶は、{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を形成するに好適な基板として利用できる。例えば、[110]結晶方位に7.3°傾斜した{111}結晶面を表面とする珪素単結晶は、リン化硼素(BP)単量体からなる含硼素III−V族化合物半導体層を得るに好適な基板となる。[110]結晶方位に7.3°傾斜した{111}結晶面には、BPの{110}結晶面の面間隔(=3.209Å)と同一の間隔で珪素の{111}結晶面が交差することとなるためである。{111}珪素結晶面に交差する{111}結晶面の相互の間隔(=d)は、[110]結晶方向への傾斜角度をθ度(°)として、
d(単位:Å)=3.136/sin(θ°+70.5°)
で与えられる。従って、傾斜角度θ°を適宣、選択することにより所望の含硼素III−V族化合物半導体層をなす{110}結晶面の面間隔にdを合致させられる。例えば、θを5.0°とすれば、d=3.239Åとなり(∵sin(5.0°+70.5°)=0.9681)、例えば、リン化硼素・ガリウム混晶(B0.95Ga0.05P)の{110}結晶面の結晶面間隔に合致させられる。
【0028】
{110}−含硼素III−V族化合物半導体層の{110}結晶面間隔に合致する間隔で、{111}結晶面を表面に交差させた{111}−珪素単結晶基板上には、配向性の揃った含硼素III−V族化合物半導体層を形成できる。特に、{111}珪素単結晶面(水平基準面)に略平行に積重した、即ち、水平基準面に対して殆ど傾斜していない{110}結晶面からなる含硼素III−V族化合物半導体層が得られる。いわば格子ミスマッチの無い珪素単結晶基板上に形成された{110}−含硼素III−V族化合物半導体層は、ミスフィット転位等の結晶欠陥の少ない良質なものとなり、特性に優れる化合物半導体素子を構成するに優位となる。
【0029】
例えば、[110]結晶方向に7.3°傾斜した{111}結晶面を表面とするアンチモン(Sb)ドープn形{111}−珪素単結晶基板上に、順次、次の(イ)〜(ニ)項に記載の機能層を積層させれば、pn接合ダブルヘテロ(DH)構造型発光ダイオード(LED)用途の積層構造体を構成できる。
(イ)硼素(原子半径=0.98Å)及びリン(原子半径=1.28Å)の何れの構成元素よりも原子半径を大とする亜鉛(Zn;原子半径=1.38Å)をドーピングした非晶質リン化硼素(BP)からな主になる、層厚を10nm程度とする低温緩衝層
(ロ){111}基板表面に対する傾斜角度を5°以内とする水平配列{110}結晶面からなるベリリウム(Be)ドープp形BP層であって、特に、室温での禁止帯幅を3.0±0.2eVとする{110}−リン化硼素層からなる下部障壁層
(ハ)BP(格子定数=4.538Å)と格子整合する立方晶のGa0.94In0.06N(格子定数=4.538Å)からなるn形発光層
(ニ)マグネシウム(Mg)をドーピングした非晶質のp形BP層からなる上部障壁層。
{111}基板表面に略平行に水平に配列した{110}結晶面からなる、結晶性に優れる{110}−リン化硼素層と、その{110}−リン化硼素層を下地層としたため結晶性に優れることとなった活性層(発光層)とを備えている上記の積層構造体を利用すれば高輝度のLEDを提供できる。
【0030】
発光素子に加えて、基板表面に対する傾斜角度を規定した{110}結晶面からなる{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を利用すれば、例えば、受光素子、pn接合型ダイオード(整流器)、ヘテロバイポーラトランジスタ(HBT)等の化合物半導体素子を構成できる。例えば、[110]結晶方向に7.0°傾斜した{111}結晶面を表面とするアンチモン(Sb)ドープn形{111}−珪素単結晶基板上に、順次、次の(a)〜(d)項に記載の機能層を積層させれば、npn接合型のHBTを構成できる。
(a)亜鉛(Zn)ドープp形リン化硼素(BP)からなる非晶質体を含む多結晶からなる低温緩衝層
(b)上記の基板の{111}表面に平行に配列した{110}−結晶面から主になるBeドープp形リン化硼素層からなるベース(base)層
(d)珪素(Si)ドープn形リン化硼素(BP)からエミッタ(emitter)層。
基板の{111}表面に平行に配列した結晶性に優れる{110}−リン化硼素層からなるベース層を構成すれば、電流増幅率(一般にβと称される)の高いHBTを得ることができる。
【0031】
【作用】
単結晶基板表面に対する傾斜角度を20°以内とする{110}結晶面からなる{110}−含硼素III−V族化合物半導体層は、その層上に設けられる結晶層の成長する方向を画一とする作用を及ぼし、その結晶層を結晶性に優れる活性層として提供する作用を果たす。
【0032】
【実施例】
(第1実施例)
<1.−1.0>結晶方向に角度にして2.0°傾斜させた(1.0.0)結晶面を表面とする硼素ドープp形珪素(Si)単結晶を基板として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。本第1実施例に係わるLED1Aの断面構造を模式的に図4に示す。
【0033】
LED1Aを構成するための積層構造体1Bは、上記の珪素単結晶基板101上に次項の(1)〜(4)に記す機能層を順次、堆積して構成した。
(1)トリエチル硼素((C253B)/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)を添加した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
(2)(C253B/トリメチルインジウム((CH33In)/PH3/H2系常圧MOCVD手段を利用し、850℃で成長させたベリリウム(Be)をドーピングしたp形リン化硼素・インジウム混晶(B0.99In0.01P:格子定数=4.557Å)層からなる下部障壁層103。ベリリウムのドーピング源にはジエチルベリリウム((C252Be)を利用した。
(3)トリメチルガリウム((CH33Ga)/アンモニア(NH3)/H2系常圧MOCVD手段を利用して、850℃で、立方晶の珪素(Si)ドープn形Ga0.90In0.10N層(格子定数=4.557Å)から主になる発光層104(キャリア濃度≒2×1017cm-3、層厚≒120nm)。
(4)(C253B/PH3/H2系常圧MOCVD手段により、400℃で成長させた、室温での禁止帯幅を約3.1eVとする珪素ドープn形リン化硼素(BP)からなる非晶質を主体として構成された上部障壁層105。
【0034】
下部障壁層103を構成するリン化硼素・インジウム混晶(B0.99In0.01P)層は、V/III比率(=PH3/((C253B+(CH33In))を35として成膜したため、基板101の(1.0.0.)表面に対する、B0.99In0.01P層の{110}結晶面の傾斜角度は17°以内となった。このため、上層の発光層(活性層)104は、結晶性に優れる結晶層から構成されるものとなっている。また、発光層104を、{110}−リン化硼素・インジウム混晶(B0.99In0.01P)層と格子整合するGa0.90In0.10N層から構成することとしたため、断面TEM技法に依る結晶構造の観察でも、{110}−リン化硼素層103と発光層104との接合界面でのミスフィット転位等の顕著な発生は認められなかった。また、発光層104を構成する主に{110}結晶面の傾斜角度もほぼ17°以内となり、配向の揃った結晶層となった。
【0035】
n形上部障壁層105の中央には、金・錫(Au・Sn)円形電極(直径=120μm)からなるオーミック性の表面電極106を設けた。また、p形Si基板101の裏面の略全面には、アルミニウム(Al)からなるオーミック性の裏面電極107を設けてLED1Aを構成した。
【0036】
構成された青色LED1Aは、次の(a)〜(d)項に記載の特性を示した。
(a)発光中心波長(=λ):430nm
(b)輝度:6ミリカンデラ(mcd)
(c)順方向電圧:3.0ボルト(V)(順方向電流=20mA)
(d)逆方向電圧:6V(逆方向電流=10μA)
特に、{100}−珪素単結晶を基板101とし、低温緩衝層102を介して、基板101の{100}表面に対する傾斜角度の小さい{110}結晶面からなるリン化硼素・インジウム混晶(B0.99In0.01P)下部障壁層103を形成する構成としたため、逆方向電圧を印加した際の局所的な耐圧の不良(localbreakdown)の殆ど認められないLED1Aが提供された。
【0037】
また、LED1Aは、例えば、次の如くの手順をもってランプ10に組み上げることができる。図5に例示する如く、例えば、LED1A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、LED1A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、LED1A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、LED1Aをエポキシ樹脂等の封止材料19で囲繞すればランプ10を提供できる。下部障壁層103に格子整合するが故に良好な結晶性の発光層104を具備するLED1Aは、発光スペクトルの半値幅(所謂、FWHM)を18nm(λ≒430nm)とする単色性に優れる発光がもたらされる。従って、本発明に係わる結晶性に優れる上に、配向の揃った発光層104を備えたLED1Aを利用すれば、単色性に優れるランプ10を提供できることとなる。
【0038】
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。本発明に係わるLED1Aからなるランプ10は単色性に優れる青色光(λ≒430nm)を発生させられるため、例えば、色調の制御された発光を呈する多色光源を得るにも優位となる。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、室内照明用光源を提供できる。また、例えば、屋外表示器用途や間接照明用途の光源を提供できる。
【0039】
(第2実施例)
<1.1.0>結晶方向に角度にして7.3°傾斜させた(1.1.1.)結晶面を表面とするアンチモン(Sb)ドープn形珪素(Si)単結晶を基板として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。
【0040】
図6に、珪素(1.1.1.)結晶面20及び(1.1.0.)結晶面21と、<1.1.0.>方向に7.3°傾斜した(1.1.1.)結晶面22との位置関係を図示する。また、本第2実施例に係わるLEDを構成する結晶層は、第1実施例に記載のLED1Aとは異なる半導体材料から構成されている。しかし、それらの半導体層の基板上への積層順序は第1実施例と同一であるため、本第2実施例のLEDの断面構造につては図4の断面模式図を参照されたい。
【0041】
LEDを構成するための積層構造体は、上記の珪素単結晶基板上に次項(1)〜(4)に記す機能層を順次、堆積して構成した。
(1)トリエチル硼素((C253B)/ホスフィン(PH3)/水素(H2)系常圧MOCVD法により350℃で成長させた、珪素(Si)を添加した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
(2)上記の(C253B/PH3/H2系常圧MOCVD手段を利用し、850℃で成長させた珪素(Si)をドーピングした{110}−n形リン化硼素(BP:格子定数=4.538Å)層からなる下部障壁層。
(3)トリメチルガリウム((CH33Ga)/トリメチルインジウム((CH33In)/アンモニア(NH3)/H2系常圧MOCVD手段を利用して、850℃で、立方晶の珪素(Si)ドープn形Ga0.94In0.06N層(格子定数=4.538Å)から主になる発光層(キャリア濃度≒3×1017cm-3、層厚≒100nm)。
(4)(C253B/PH3/H2系常圧MOCVD手段により、400℃で成長させた、室温での禁止帯幅を約3.1eVとするベリリウム(Be)ドープp形リン化硼素(BP)からなる非晶質を主体として構成された上部障壁層。
【0042】
下部障壁層を構成する{110}−リン化硼素(BP)層は、V/III比率(=PH3/((C253B)を40として成膜したため、基板の(1.1.1.)表面に対する、BP層を構成する{110}結晶面の傾斜角度は5°以内となった。このため、上層の発光層(活性層)も、特に結晶性に優れ、且つ配向の揃った立方晶の結晶層から構成されるものとなった。また、発光層を、{110}−リン化硼素半導体層と格子整合するGa0.94In0.06N層から構成することとしたため、断面TEM技法に依る結晶構造の観察でも、{110}−リン化硼素層と発光層との接合界面でのミスフィット転位等の顕著な発生は認められなかった。
【0043】
p形上部障壁層の中央には、金・亜鉛(Au・Zn)円形電極(直径=110μm)からなるオーミック性の表面電極を設けた。また、n形Si基板の裏面の略全面には、アルミニウム(Al)からなるオーミック性の裏面電極を設けてLEDを構成した。構成された青色LEDは、次の(a)〜(d)項に記載の特性を示した。
(a)発光中心波長:410nm
(b)輝度:7ミリカンデラ(mcd)
(c)順方向電圧:3.0ボルト(V)(順方向電流=20mA)
(d)逆方向電圧:6V(逆方向電流=10μA)
特に、{111}−珪素単結晶を基板とし、低温緩衝層を介して、{111}基板表面に対する傾斜角度を5°以内と小さい{110}結晶面からなるリン化硼素(BP)から下部障壁層を、また、発光層を下部障壁層と格子整合する半導体材料から構成したため、高輝度の青紫色LEDが提供された。
【0044】
【発明の効果】
本発明に依れば、単結晶基板上に、規定された温度と原料供給比(=V/III比率)をもって、含硼素III−V族化合物半導体層を成長させることとしたので、単結晶基板表面に対して画一的な角度で配向する{110}結晶面からなる{110}−含硼素III−V族化合物半導体層が得られる。また、この配向の揃った{110}−含硼素III−V族化合物半導体層の作用に依りもたらされる結晶性に優れる活性層を利用して化合物半導体素子を構成することとしたので、例えば、発光特性を良好とするLEDをもたらすに効果を挙げられる。
【0045】
特に本発明において、例えば、含硼素III−V族化合物半導体からなる低温緩衝層を介して含硼素III−V族化合物半導体層を形成することとすると、基板表面に略平行に配列した{110}結晶面からなる{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を充分に安定して形成できる。このため、化合物半導体素子を安定して提供するに貢献できる。
【0046】
また、本発明の化合物半導体素子の製造方法によれば、トリエチル硼素とホスフィンを原料として含むMOCVD気相成長手段を利用して、{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を形成することとしたので、単結晶基板の表面に対して傾斜角度が小さく、且つ表面の平坦な{110}−含硼素系III−V族化合物半導体層を広い温度範囲で安定して形成するに効果を挙げられる。
【0047】
特に本発明において、{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を、同層を成長させるに好ましい温度において耐熱性を有し、解離し難い珪素単結晶からなる基板上に設ける構成とすると、表面の平滑性に優れる{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を形成することができる。また、特に導電性の珪素単結晶を基板として利用すれば、電極の形成が簡易となり、例えば、発光特性に優れるLEDを簡便に簡便に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】{100}−珪素単結晶基板上に成長したリン化硼素層の結晶組織構造を示す断面模式図である。
【図2】 好適な温度及びV/III比率で成長した{110}−リン化硼素層結晶層のX線回折強度の分布を示す図である。
【図3】{111}−珪素単結晶基板上に成長させた{110}−リン化硼素結晶層のX線回折強度分布を示す図である。
【図4】第1実施例に記載のLEDの断面模式図である。
【図5】第1実施例に記載のランプの断面模式図である。
【図6】第2実施例に係る珪素単結晶の結晶面の位置関係を示す模式図である。
【符号の説明】
1A LED
1B 積層構造体
1 {100}−珪素単結晶基板
2 {110}−リン化硼素結晶層
2a、2b リン化硼素結晶層の内部領域
3 水平基準面(基板表面)
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
20 (1.1.1.)−結晶面
21 (1.1.0.)−結晶面
22 <1.1.0.>方向に7.3°傾斜した(1.1.1.)結晶面
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
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for configuring a compound semiconductor element using a boron-containing III-V compound semiconductor layer having a specific crystal plane.
[0002]
[Prior art]
As one type of III-V compound semiconductor, a boron-containing III-V compound semiconductor containing boron (B) such as boron phosphide (BP) is known (Satoru Teramoto, “Introduction to Semiconductor Devices” (1995). (See pages 30-28, published by Baifukan Co., Ltd. on March 30.) For example, boron phosphide (BP) has a small ionic bond degree of Philips (0.006). (See July 25, 1985, 3rd edition, published by Yoshioka Shoten Co., Ltd., page 51.) Also, since it is a zinc-blend type cubic crystal, it has a degenerate valence band. (Refer to Toshiaki Ikoma and Hideaki Ikoma, “Introduction to Basic Properties of Compound Semiconductors” (September 10, 1991, first published by Bafukan Co., Ltd.), pages 14-17.) Is The p-type conductive layer is provided the advantage of easy acquisition.
[0003]
Conventionally, a boron-containing III-V compound semiconductor layer has been used to construct various compound semiconductor elements having a silicon (Si) single crystal as a substrate. For example, a heterobipolar transistor (HBT) using a boron phosphide layer is known (see J. Electrochem. Soc., 125 (4) (1978), pages 633-637). In addition, there is a solar cell using a boron phosphide layer as a window layer (see J. Electrochem. Soc. Above). Also disclosed is a technology for constructing a blue band or green band light emitting diode (LED) or laser diode (LD) by utilizing boron phosphide and mixed crystals thereof (Japanese Patent No. 1 ▼ 2809690). (2) No. 2,809,691, (3) No. 2,809,692 and (4) US Pat. No. 6,069,021).
[0004]
In a conventional technique, a compound semiconductor element is configured using a boron-containing III-V compound semiconductor layer in which {100} or {111} crystal planes are stacked. For example, it is configured using a boron phosphide layer having a (100) crystal plane formed on a Si single crystal substrate having a (100) crystal plane as a surface (the above-mentioned J. Electrochem. Soc. 125 (1978). )reference). That is, a boron-containing III-V group compound semiconductor layer composed of crystal planes having the same plane index as the crystal plane forming the surface of the substrate (Katsufusa Shono, “Semiconductor Technology (above)” (June 25, 1992, ( For example, a boron phosphide layer made of a {111} crystal plane formed on a silicon single crystal substrate having a {111} crystal plane as a surface (see above, published by the University of Tokyo Press, 9th edition), page 99) “Semiconductor Technology (above)”, see page 77).
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, a boron-containing III-V group compound semiconductor layer having a crystal plane having the same plane index as the crystal plane of the substrate surface (see Jpn. J. Appl. Phys., 13 (3) (1974), pages 411 to 416). In order to obtain the above, a high temperature exceeding 1000 ° C. is required (see Kei Naganishi, “Applied Physics”, Vol. 45, No. 9 (1976), pages 891 to 897). At such a high temperature, diffusion of impurities doped in the boron-containing group III-V compound semiconductor layer occurs remarkably. Due to the diffusion of the impurities, the concentration of impurities inside the boron-containing III-V compound semiconductor layer changes, and the carrier concentration changes. For this reason, for example, in a light emitting diode (LED), problems in device characteristics such as destabilizing the forward voltage (so-called Vf) are induced.
[0006]
Further, the boron-containing III-V compound semiconductor layer having a crystal plane having the same plane index as the crystal plane of the substrate surface is limited to a very narrow temperature range. For example, the temperature at which a boron phosphide crystal layer having a {100} crystal plane can be formed on a silicon single crystal having a {100} crystal plane as a surface is limited to a range of 1030 ° C. to 1080 ° C., at most 50 ° C. (See “Applied Physics”, Volume 47 above). At higher temperatures, it becomes a polycrystalline layer (see “Applied Physics” above). Therefore, there has been a problem that it is difficult to stably obtain a boron-containing group III-V compound semiconductor layer in the first place.
[0007]
The present invention constitutes a compound semiconductor element using a boron-containing III-V compound semiconductor layer composed of {100} or {111} crystal planes having the same plane index as the surface of a conventional single crystal substrate. In order to overcome the problems of the prior art, a compound semiconductor element is obtained by utilizing a boron-containing III-V compound semiconductor layer having a {110} crystal plane that is stably obtained in a wide temperature range. The technical means to comprise is provided.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention
(1) A boron-containing III-V group compound semiconductor layer having a {110} crystal plane and having boron (B) as a constituent element provided on the surface of a single crystal substrate (in this specification, {110 } -Boron III-V group compound semiconductor layer), and the inclination angle is set to 20 degrees (°) or less with the surface of the single crystal substrate as a horizontal reference { A compound semiconductor device comprising a {110} -boron III-V compound semiconductor layer made of a 110} crystal layer.
It is.
[0009]
The present invention also provides
(2) The {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer is provided via a buffer layer made of a polycrystalline boron-containing III-V compound semiconductor containing amorphous. The compound semiconductor device according to (1) above.
It is.
[0010]
The present invention also provides
(3) The above {110} -boron III-V compound semiconductor layer is provided on a substrate made of conductive silicon (Si) single crystal (silicon). The compound semiconductor device according to 2).
It is.
[0011]
The present invention also provides
(4) The above-mentioned (3), wherein the single crystal substrate for providing the {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer is a silicon single crystal having a {100} crystal plane as a surface. The compound semiconductor device described in 1.).
(5) The above (3) characterized in that the single crystal substrate for providing the {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer is a silicon single crystal having a {111} crystal plane as a surface. The compound semiconductor device described in 1.).
It is.
[0012]
The present invention also provides
(6) A {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer is formed on a single crystal substrate at a temperature of 750 ° C. or more and 1200 ° C. or less, and the supply ratio of the group V element source to the boron source is 20 or more. 60. The method for producing a compound semiconductor element according to any one of (1) to (5), wherein the compound semiconductor element is formed as 60 or less.
(7) A {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer is formed on a single crystal substrate at a temperature of 800 ° C. or higher and 950 ° C. or lower by a metal organic thermal decomposition vapor deposition (MOCVD) method. ((C2HFive)ThreeB) is a raw material of boron, and phosphine (PHThree) Is a raw material of phosphorus, and the supply ratio of the raw material of the group V element to the raw material of boron is 20 or more and 60 or less. The method for producing a compound semiconductor device according to the above (6),
It is.
[0013]
The present invention also provides
(8) A light emitting device comprising the compound semiconductor device according to the above (1) to (5).
(9) A lamp comprising the light emitting device according to (8).
It is.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the first embodiment of the present invention, the boron-containing group III-V compound semiconductor layer composed of {100} or {111} crystal planes having the same plane index as the crystal plane forming the surface of the conventional single crystal substrate is used. A compound semiconductor element is formed using a boron-containing III-V compound semiconductor layer ({110} -boron III-V compound semiconductor layer) having a {110} crystal plane different from the crystal plane forming the substrate surface. To do. The symbol {110} is, for example, a general term for crystal planes in which the type, number, and position of atoms constituting the crystal plane are the same as (1.1.0.) Crystal planes (by CW BUNN, “Chemical crystallography” (June 15, 1970, published by Baifukan Co., Ltd., first edition, pages 23-24) Specifically, (1.1.0.), (−1.1.0. ), (−1.-1.0.), (1.-1.0.), (1.0.1.), (−1.0.1.), (0.1.1.1.) Crystal face and the like.
[0015]
The {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer according to the present invention is composed of silicon, gallium phosphide (GaP), gallium arsenide (GaAs), silicon carbide (SiC) (J. Appl. Phys., 42 (1)). (1971), pages 420-424), boron phosphide (BP) (1) Japanese Patent Publication No. 55-3834, and (2) Z. Anorg. Allg. Chem., 349 (1967), 151-157. A semiconductor single crystal such as (see page) can be formed as a substrate. Sapphire (α-Al2OThreeAn oxide single crystal such as) can also be used as a substrate. For example, when a light-emitting element is formed, since an electrode can be easily formed, a conductive material such as silicon single crystal or silicon carbide single crystal can be recommended as a substrate material. On the other hand, in order to construct a field effect transistor (FET) with little drain current leakage, it is advantageous to use a high-resistance or insulating sapphire or another oxide crystal as a substrate.
[0016]
On the above substrate material, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method (Inst. Phys. Conf. Ser., No. 129 (1993 IOP Publishing Ltd., pp. 157 to 162)), halogen ( halogen) method (Materials SSD74-85-90 (1975-03) (March 25, 1975)), hydride method (the above Jpn) , J. Appl. Phys., 13 (1974)), molecular beam epitaxy (MBE) method (see J. Solid State Chem., 133 (1997), pp. 269-272), etc. A {110} -boron III-V compound semiconductor layer can be formed.
[0017]
In particular, the MOCVD vapor phase growth means has the following characteristics (a) to (c) as compared with other vapor phase growth means, and is advantageous for the growth of a boron-containing group III-V compound semiconductor layer.
(A) Compared with the MBE method, the partial pressure of phosphorus (P) or the like in the growth environment can be easily controlled, and therefore a boron-containing group III-V compound semiconductor layer that is stoichiometrically balanced can be obtained. Can bring.
(B) Boron tribromide (BBr) used as a raw material for boron (B) in the halogen methodThree) (See "Semiconductor / Transistor Study Group" above) or boron trichloride (BClThree) (See Journal of Japanese Society for Crystal Growth, 24 (2) (1997), p. 150) Since an organic boron compound that is more easily decomposable than boron can be used as a boron source, boron-containing III-V group compound semiconductors can be used at a lower temperature. Layers can be formed.
(C) Trimethylboron ((CHThree)ThreeOrganic boron compounds such as B)) are diborane (B) used as a boron source in the hydride method.2H6), The film can be formed at a low temperature, and there is an advantage that peeling of the boron-containing III-V group compound semiconductor layer from the substrate surface due to the difference in thermal expansion coefficient can be avoided.
[0018]
According to the atmospheric pressure (substantially atmospheric pressure) or the reduced pressure MOCVD method, the {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer can be formed at a substrate temperature of 750 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower. At high temperatures exceeding 1200 ° C, for example, B13P2The formation of a homogeneous crystal layer is hindered (see J. Am. Ceram. Soc., 47 (1) (1964), pages 44 to 46). For example, triethyl boron ((C2HFive)ThreeB) / phosphine (PHThree) / Hydrogen (H2) With the MOCVD means utilizing a reaction system, a {110} -boron-containing III-V group compound semiconductor layer can be obtained in a wide substrate temperature range of about 200 ° C., preferably about 800 ° C. to about 1000 ° C. PHThreeIs a phosphorus (P) source, phosphorus trichloride (PCl) which is a phosphorus (P) source in the halogen methodThreeEtching of the boron-containing group III-V compound semiconductor layer or the substrate due to the above) can be avoided, and therefore, a boron-containing group III-V compound semiconductor layer having a flat surface can be provided.
[0019]
Only by setting the substrate temperature within the above-mentioned preferable range, a {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer having a uniform orientation cannot be obtained sufficiently stably. As an example, the cross-sectional schematic diagram of FIG. 1 shows the crystal structure of a boron phosphide (BP) layer formed on a {100} -silicon single crystal substrate at a temperature of 850 ° C. by MOCVD. The {110} -crystal plane constituting the boron phosphide layer 2 does not necessarily develop at a uniform angle with respect to the surface of the {100} -substrate 1. For example, in the region 2 a inside the boron phosphide layer 2, the {110} crystal plane forms an angle of about 30 degrees (°) with the surface of the substrate 1 as the horizontal reference 3. In another region 2b, there exists a {110} -crystal plane having an angle of about 35 degrees (°) with respect to the horizontal reference. Generally speaking, the orientation in which the {110} crystal plane of the boron phosphide crystal develops is an angular range within about 35 ° with respect to the horizontal reference 3 simply by setting the substrate temperature within the above range. The angle of orientation of the {110} crystal plane constituting the {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer with respect to the substrate surface (horizontal reference plane 3) depends on, for example, a general four-crystal X-ray diffraction method Can be analyzed. In analysis using the four-crystal X-ray diffraction method, the degree of crystal plane orientation (tilt angle with respect to the horizontal reference plane) is generally measured as an omega (ω) value that represents the tilt angle of the substrate surface with respect to incident X-rays. The
[0020]
A boron phosphide layer when the growth temperature is set to 850 ° C. and the ratio of the supply amount of boron source (boron source) and phosphorus source to the MOCVD reaction system, the so-called V / III ratio, is set to 40 FIG. 2 illustrates the distribution of X-ray diffraction intensity from the {110} crystal plane constituting the structure. The incident X-ray wavelength is 1.54 mm (copper (Cu) Kα1The Bragg diffraction angle from the {110} crystal plane in 4 crystal X-ray diffraction is 28.8 °, and the range of the angle is within ± 0.01 °. (See vertical axis value in FIG. 2). That is, the interval between {110} crystal faces constituting the {110} -boron phosphide layer is uniform at about 3.20 mm. Further, the angle (see FIG. 1) with respect to the horizontal surface of the substrate can be reduced within 20 ° (see the horizontal axis value in FIG. 2). The boron-containing group III-V compound semiconductor layer having an inclination angle within 20 ° with respect to the substrate surface having such a horizontal plane has a substrate temperature in the range of 750 ° C. to 1200 ° C., more preferably, the substrate temperature is about 800 ° C. to about 800 ° C. It is obtained by setting the V / III ratio in the range of 5 or more and 60 or less after the temperature is set to 1000 ° C. When the V / III ratio is less than 5, volatilization of, for example, phosphorus (P), arsenic (As), or nitrogen (N) constituting the boron-containing group III-V compound semiconductor layer becomes remarkable and the surface morphology is deteriorated. Cause inconvenience. On the contrary, when the V / III ratio is set to a high ratio exceeding 60, the vacancy density of the group III constituent element increases, and the crystallinity of the boron-containing group III-V compound semiconductor layer is increased due to the point defects generated in association therewith. It causes inconvenience to make it worse.
[0021]
The {110} -boron III-V compound semiconductor layer grown ideally horizontally on the horizontal plane has a uniform orientation as an upper layer with respect to the horizontal plane of the substrate surface. Has the effect of producing a crystalline layer. For example, gallium nitride indium (Ga) that exhibits high electron mobility due to uniform orientation.XIn1-XAn active layer such as an electron transit layer made of a group III nitride semiconductor such as N: 0 ≦ X ≦ 1) can be provided. Also, for example, Ga with uniform orientationXIn1-XN (0 ≦ X ≦ 1) or gallium nitride phosphide (GaN1-YPYGroup III nitride semiconductors such as: 0 ≦ Y ≦ 1) can provide a light emitting layer that emits light with uniform intensity in the plane. In particular, when the active layer is formed of a material lattice-matched to the {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer, the activity is excellent in crystallinity with few crystal defects such as misfit dislocations caused by lattice misfit. Can bring a layer. For example, on a {110} -boron phosphide (BP: lattice constant = 4.538Å) layer, cubic Ga0.94In0.06An active layer having good crystallinity made of N (lattice constant = 4.538Å) can be provided.
[0022]
If the boron-containing group III-V compound semiconductor layer is formed through a polycrystalline buffer layer containing amorphous, the {110} -boron-containing group III-V compound semiconductor layer with uniform orientation is stabilized. This is particularly effective. Further, when the buffer layer is made of a boron-containing III-V group compound semiconductor that also contains boron as a constituent element, it is smooth due to the action of boron atoms constituting the buffer layer as “growth nuclei” and “adsorption sites”. Thus, there is an effect that a continuous {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer can be obtained. The buffer layer is, for example, BαAlβGaγIn1- ( α + β + γ )Boron phosphide (BP) based mixed crystals such as P (0 <α ≦ 1, 0 ≦ β <1, 0 ≦ γ <1, 0 <α + β + γ ≦ 1) can be used. For example, BαAlβGaγIn1- ( α + β + γ )It can be composed of a boron arsenide (BAs) based mixed crystal such as As (0 <α ≦ 1, 0 ≦ β <1, 0 ≦ γ <1, 0 <α + β + γ ≦ 1). Or, for example, BαAlβGaγIn1- ( α + β + γ )It is composed of a boron nitride (BN) based mixed crystal such as N (0 <α ≦ 1, 0 ≦ β <1, 0 ≦ γ <1, 0 <α + β + γ ≦ 1). Since it becomes more difficult to obtain a mixed crystal having a stable composition as the number of constituent elements increases (see “Introduction to Semiconductor Devices” on page 24), the buffer layer is binary (two element crystal) or ternary. Desirably, it is composed of mixed crystals. For example, boron phosphide (BP) or boron phosphide / gallium (BαGaγP: 0 <α ≦ 1, 0 ≦ γ <1, α + γ = 1) or boron phosphide / indium (BαIn1- αIt is preferably composed of a ternary mixed crystal such as P: 0 <α ≦ 1).
[0023]
A buffer layer made of a polycrystalline boron-containing group III-V compound semiconductor, for example, boron phosphide (BP), including amorphous, is, for example, triethyl boron ((C2HFive)ThreeB) / phosphine (PHThree) / Hydrogen (H2) Depending on the MOCVD growth means using a reaction system, the substrate temperature is set to about 250 ° C. to about 750 ° C. (C2HFive)ThreeB is (CHThree)ThreeSince it is more easily decomposed than B, it can be used as a boron source suitable for film formation at a low temperature. However, at a low temperature of less than 250 ° C., the phosphorus (P) source PHThreeThe film cannot be formed because the thermal decomposition of the film does not proceed sufficiently. At a relatively low temperature in the above temperature range, a polycrystalline BP layer mainly composed of amorphous is easily obtained. At high temperatures exceeding about 500 ° C., there is a tendency to become a polycrystalline layer composed of amorphous and single crystal grains. At a high temperature exceeding 750 ° C., a single crystal BP layer is easily obtained. In the single crystal BP layer, the effect of relaxing the lattice mismatch between the substrate and the boron-containing III-V compound semiconductor layer is not sufficiently exhibited, and the {110} -boron-containing III-V is inferior in crystallinity. This is not preferable because a group III compound semiconductor layer results. As an example of the second embodiment of the present invention, <1.0.0. > On a silicon single crystal substrate having a (1.1.1.) Crystal plane inclined at an angle of 12 degrees (°) with respect to the crystal direction, using the above MOCVD growth means, at 350 ° C., amorphous An example of depositing a buffer layer of polycrystalline boron phosphide containing quality. The crystalline element constituting the buffer layer can be investigated using, for example, an X-ray diffraction method. The X-ray diffraction pattern of an amorphous polycrystalline layer containing single crystal grains is a mixture of halo-shaped diffraction rings and spot diffraction spots.
[0024]
In the third embodiment of the present invention, in particular, a {110} -boron-containing III-V group compound semiconductor layer is provided using a silicon single crystal as a substrate. Silicon single crystal (silicon; melting point = 1420 ° C.) is compared to GaP (melting point = 1467 ° C., dissociation pressure at melting point = 35 atm) or GaAs (melting point = 1238 ° C., dissociation pressure at melting point = 1 atm). The dissociation pressure at the melting point (= 1420 ° C.) is 1.33 × 10-3hPa (“III-V group compound semiconductor” (May 20, 1994, published by Baifukan Co., Ltd., first edition), see page 148). Therefore, even when a {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer is formed at a high temperature, it can be used as a substrate that does not cause surface alteration. Also, compared with silicon carbide or sapphire which is also excellent in heat resistance, a large-diameter silicon single crystal excellent in conductivity can be easily obtained, and thus is a substrate material suitable for industrial production of compound semiconductor elements. .
[0025]
The silicon single crystal is a cubic zinc-blend type crystal that exhibits cleavage in the [110] crystal direction (see “Introduction to Semiconductor Devices” above, page 28). In the fourth embodiment of the present invention, a compound semiconductor element is configured using a silicon single crystal having a {100} crystal plane as a surface as a substrate. In the silicon single crystal having the {100} crystal plane as the surface, the four side surfaces orthogonal to the {100} crystal surface are all {110} crystal planes. Therefore, if a silicon single crystal having a {100} crystal plane as a surface is used as a substrate, there is an advantage that it can be easily divided into rectangular parallelepiped compound semiconductor elements using the cleavage property in the {110} direction. Since the {110} crystal plane exposed by cleavage is a smooth surface, for example, it can advantageously contribute to the construction of an optical resonant surface of a laser diode (LD). In addition, it has a kink or terrace that promotes the growth of the {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer (Denjiro Watanabe et al., “Material Science Course 6, Thin Film / Surface Phenomenon” ) (Published by Asakura Shoten), see pages 231 to 232), for example, a silicon single crystal having a {100} crystal plane inclined by several degrees at an angle to the [110] crystal direction can also be used effectively as a substrate.
[0026]
In the fifth embodiment of the present invention, a compound semiconductor element is configured using a silicon single crystal having a {111} crystal plane as a surface as a substrate. In the {111} crystal plane, the density of silicon (Si) atoms is about twice that of the {100} crystal plane and there are few voids. Therefore, for example, an effect of suppressing the penetration and diffusion of boron (B) atoms into the silicon single crystal constituting the boron-containing III-V compound semiconductor layer is exerted, and the silicon single crystal substrate and the boron-containing III-V This is effective in avoiding non-planarization and randomization of the bonding interface with the group compound semiconductor layer. FIG. 3 shows the X-ray diffraction results of the {110} -boron phosphide crystal layer grown on the {111} -silicon single crystal substrate having the {111} crystal plane as the surface. The Bragg diffraction angle is as uniform as 28.8 ° ± 0.01 ° as in the case where the {100} -silicon single crystal is used as the substrate. That is, the {110} -boron phosphide crystal plane spacing is about 3.20 mm, as in the {100} -silicon single crystal substrate. On the other hand, the angle between the {111} crystal plane and the {110} -boron phosphide crystal plane with respect to the horizontal reference plane is within 15 °, which is a more uniform orientation than in the case of a {100} -silicon single crystal substrate. It has become. In this way, the {111} crystal plane can maintain the surface flatness better than the {100} crystal plane, so that a {110} -boron phosphide crystal layer with more uniform orientation can be obtained. It is a feature.
[0027]
In particular, a silicon single crystal having a {111} crystal plane inclined in the [110] crystal orientation as a surface can be used as a substrate suitable for forming a {110} -boron III-V compound semiconductor layer. For example, a silicon single crystal whose surface is a {111} crystal plane inclined 7.3 ° to the [110] crystal orientation provides a boron-containing III-V compound semiconductor layer made of a boron phosphide (BP) monomer. It becomes a suitable substrate. [110] The {111} crystal plane inclined 7.3 ° to the crystal orientation intersects with the {111} crystal plane of silicon at the same interval as the {110} crystal plane (= 3.20920) of BP. It is because it will do. The distance between the {111} crystal planes intersecting the {111} silicon crystal plane (= d) is defined as [110] tilt angle in the crystal direction as θ degrees (°).
d (unit: Å) = 3.136 / sin (θ ° + 70.5 °)
Given in. Therefore, d can be matched with the interplanar spacing of the {110} crystal planes forming the desired boron-containing III-V compound semiconductor layer by appropriately selecting the inclination angle θ °. For example, if θ is 5.0 °, d = 3.239Å (∵sin (5.0 ° + 70.5 °) = 0.9681), for example, boron phosphide / gallium mixed crystal (B0.95Ga0.05P) is matched with the crystal plane spacing of {110} crystal planes.
[0028]
On the {111} -silicon single crystal substrate with the {111} crystal plane intersecting the surface at an interval matching the {110} crystal plane interval of the {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer A boron-containing group III-V compound semiconductor layer with uniform properties can be formed. In particular, a boron-containing group III-V compound semiconductor composed of {110} crystal planes that are stacked substantially in parallel to a {111} silicon single crystal plane (horizontal reference plane), that is, almost not inclined with respect to the horizontal reference plane. A layer is obtained. In other words, a {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer formed on a silicon single crystal substrate having no lattice mismatch has a high quality with few crystal defects such as misfit dislocations, and a compound semiconductor device having excellent characteristics. It is advantageous to configure.
[0029]
For example, on the antimony (Sb) doped n-type {111} -silicon single crystal substrate whose surface is a {111} crystal plane inclined by 7.3 ° in the [110] crystal direction, the following (a) to ( If the functional layer described in the item d) is laminated, a laminated structure for use in a pn junction double hetero (DH) structure type light emitting diode (LED) can be configured.
(A) Non-doped with zinc (Zn; atomic radius = 1.38Å) having an atomic radius larger than any of the constituent elements of boron (atomic radius = 0.98Å) and phosphorus (atomic radius = 1.28Å) Low temperature buffer layer mainly composed of crystalline boron phosphide (BP) and having a layer thickness of about 10 nm
(B) A beryllium (Be) -doped p-type BP layer having a {110} crystal plane with an inclination angle within 5 ° with respect to the {111} substrate surface. Lower barrier layer made of {110} -boron phosphide layer with 0 ± 0.2 eV
(C) Cubic Ga that lattice matches with BP (lattice constant = 4.5384.5)0.94In0.06N-type light emitting layer made of N (lattice constant = 4.538Å)
(D) An upper barrier layer made of an amorphous p-type BP layer doped with magnesium (Mg).
A {110} -boron phosphide layer having {110} crystal planes arranged horizontally and substantially parallel to the {111} substrate surface and having excellent crystallinity, and the {110} -boron phosphide layer as the underlayer are used as crystals. A high-luminance LED can be provided by using the above laminated structure including an active layer (light-emitting layer) that is excellent in performance.
[0030]
In addition to the light emitting element, if a {110} -boron-containing III-V group compound semiconductor layer having a {110} crystal plane with a tilt angle with respect to the substrate surface is used, for example, a light receiving element, a pn junction diode (rectifier) ), A compound semiconductor device such as a hetero bipolar transistor (HBT). For example, on the antimony (Sb) doped n-type {111} -silicon single crystal substrate whose surface is a {111} crystal plane inclined by 7.0 ° in the [110] crystal direction, the following (a) to ( An npn junction type HBT can be formed by laminating the functional layers described in the section d).
(A) Low-temperature buffer layer made of polycrystal including an amorphous material made of zinc (Zn) -doped p-type boron phosphide (BP)
(B) A base layer composed of a Be-doped p-type boron phosphide layer mainly composed of {110} -crystal planes arranged in parallel to the {111} surface of the substrate.
(D) An emitter layer from silicon (Si) doped n-type boron phosphide (BP).
An HBT having a high current amplification factor (generally referred to as β) can be obtained by forming a base layer made of a {110} -boron phosphide layer excellent in crystallinity arranged in parallel to the {111} surface of the substrate. it can.
[0031]
[Action]
A {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer composed of {110} crystal planes with an inclination angle within 20 ° with respect to the surface of the single crystal substrate has a uniform growth direction of the crystal layer provided on the layer. The crystal layer is provided as an active layer having excellent crystallinity.
[0032]
【Example】
(First embodiment)
<1. -1.0> a case where an LED is configured using a boron-doped p-type silicon (Si) single crystal whose surface is a (1.0.0) crystal plane inclined at an angle of 2.0 ° with respect to the crystal direction. The present invention will be described specifically by way of examples. FIG. 4 schematically shows a cross-sectional structure of the LED 1A according to the first embodiment.
[0033]
A laminated structure 1B for constituting the LED 1A was constructed by sequentially depositing functional layers described in (1) to (4) of the next section on the silicon single crystal substrate 101 described above.
(1) Triethyl boron ((C2HFive)ThreeB) / phosphine (PHThree) / Hydrogen (H2) Low-temperature buffer layer 102 made of polycrystalline boron phosphide (BP) mainly composed of amorphous material to which zinc (Zn) is added, grown at 350 ° C. by a normal atmospheric pressure MOCVD method.
(2) (C2HFive)ThreeB / trimethylindium ((CHThree)ThreeIn) / PHThree/ H2P-type boron phosphide / indium mixed crystal (B) doped with beryllium (Be) grown at 850 ° C. using a normal atmospheric pressure MOCVD method0.99In0.01Lower barrier layer 103 made of P: lattice constant = 4.557Å) layer. The beryllium doping source is diethyl beryllium ((C2HFive)2Be) was used.
(3) Trimethylgallium ((CHThree)ThreeGa) / Ammonia (NHThree) / H2Cubic silicon (Si) -doped n-type Ga at 850 ° C. using system atmospheric pressure MOCVD means0.90In0.10The light-emitting layer 104 (carrier concentration≈2 × 10) mainly composed of the N layer (lattice constant = 4.557Å)17cm-3, Layer thickness ≈ 120 nm).
(4) (C2HFive)ThreeB / PHThree/ H2An upper barrier mainly composed of amorphous silicon-doped n-type boron phosphide (BP) grown at 400 ° C. by a system atmospheric pressure MOCVD method and having a forbidden band width of about 3.1 eV at room temperature Layer 105.
[0034]
Boron phosphide / indium mixed crystal (B0.99In0.01P) layer has a V / III ratio (= PHThree/ ((C2HFive)ThreeB + (CHThree)ThreeIn)) was formed as 35, so that B on the (1.0.0.) Surface of the substrate 101 was0.99In0.01The inclination angle of the {110} crystal plane of the P layer was within 17 °. Therefore, the upper light emitting layer (active layer) 104 is composed of a crystal layer having excellent crystallinity. The light-emitting layer 104 is formed of {110} -boron phosphide / indium mixed crystal (B0.99In0.01P) Ga lattice matched with the layer0.90In0.10Since it is composed of the N layer, the occurrence of misfit dislocations at the junction interface between the {110} -boron phosphide layer 103 and the light-emitting layer 104 is observed even in the observation of the crystal structure by the cross-sectional TEM technique. There wasn't. In addition, the inclination angle of the {110} crystal plane mainly constituting the light-emitting layer 104 was within about 17 °, and the crystal layer was aligned.
[0035]
At the center of the n-type upper barrier layer 105, an ohmic surface electrode 106 made of a gold / tin (Au / Sn) circular electrode (diameter = 120 μm) was provided. Further, an ohmic back electrode 107 made of aluminum (Al) was provided on substantially the entire back surface of the p-type Si substrate 101 to configure the LED 1A.
[0036]
The configured blue LED 1A exhibited the characteristics described in the following items (a) to (d).
(A) Emission center wavelength (= λ): 430 nm
(B) Luminance: 6 millicandela (mcd)
(C) Forward voltage: 3.0 volts (V) (forward current = 20 mA)
(D) Reverse voltage: 6 V (reverse current = 10 μA)
In particular, a boron phosphide / indium mixed crystal (B) composed of a {110} crystal plane having a small inclination angle with respect to the {100} surface of the substrate 101 via a low temperature buffer layer 102 with a {100} -silicon single crystal as the substrate 101.0.99In0.01P) Since the lower barrier layer 103 is formed, the LED 1A is provided in which local breakdown of local breakdown voltage is hardly recognized when a reverse voltage is applied.
[0037]
The LED 1A can be assembled into the lamp 10 by the following procedure, for example. As illustrated in FIG. 5, for example, the LED 1 </ b> A is fixed to the central portion of a metal casing 16 plated with a metal such as silver (Ag) or aluminum (Al) on the pedestal 15 with a conductive bonding material. Thus, the back electrode 14 provided on the back surface of the conductive substrate 11 used for configuring the LED 1 </ b> A is electrically connected to one terminal 17 attached to the base 15. Further, for example, the surface electrode 13 installed on the upper barrier layer 12 of the LED 1 </ b> A is connected to the other terminal 18 attached to the base 15. Next, if the LED 1A is surrounded by a sealing material 19 such as an epoxy resin, the lamp 10 can be provided. The LED 1A including the light-emitting layer 104 having good crystallinity because of lattice matching with the lower barrier layer 103 provides light emission excellent in monochromaticity with a half-value width (so-called FWHM) of an emission spectrum of 18 nm (λ≈430 nm). It is. Therefore, if the LED 1A provided with the light emitting layer 104 having a uniform orientation in addition to excellent crystallinity according to the present invention, the lamp 10 having excellent monochromaticity can be provided.
[0038]
Further, if the lamps 10 according to the present invention are assembled, a light source can be configured. For example, a constant voltage drive type light source can be configured by electrically connecting a plurality of lamps 10 in parallel. Further, a constant current drive type light source can be configured by electrically connecting lamps in series. Since the lamp 10 comprising the LED 1A according to the present invention can generate blue light (λ≈430 nm) having excellent monochromaticity, it is advantageous for obtaining, for example, a multicolor light source that emits light whose color tone is controlled. Since these light sources do not require power for lighting as compared with conventional incandescent fluorescent lamps, they can be used particularly effectively as low-power consumption and long-life light sources. For example, a light source for room illumination can be provided. In addition, for example, a light source for outdoor display or indirect illumination can be provided.
[0039]
(Second embodiment)
<1.1.0> Antimony (Sb) -doped n-type silicon (Si) single crystal whose surface is a crystal plane (1.1.1.) Tilted by 7.3 ° to the crystal direction as a substrate The present invention will be described in detail by taking the case of constituting an LED as an example.
[0040]
FIG. 6 shows a silicon (1.1.1.) Crystal plane 20 and a (1.1.0.) Crystal plane 21 and <1.1.0. The positional relationship with the (1.1.1.) Crystal plane 22 inclined 7.3 ° in the> direction is illustrated. Further, the crystal layer constituting the LED according to the second embodiment is made of a semiconductor material different from the LED 1A described in the first embodiment. However, since the stacking order of these semiconductor layers on the substrate is the same as in the first embodiment, refer to the cross-sectional schematic diagram of FIG. 4 for the cross-sectional structure of the LED of the second embodiment.
[0041]
The laminated structure for constituting the LED was constructed by sequentially depositing the functional layers described in the following items (1) to (4) on the silicon single crystal substrate.
(1) Triethyl boron ((C2HFive)ThreeB) / phosphine (PHThree) / Hydrogen (H2) Low-temperature buffer layer made of polycrystalline boron phosphide (BP) mainly composed of amorphous silicon (Si) added and grown at 350 ° C. by a normal atmospheric pressure MOCVD method
(2) (C2HFive)ThreeB / PHThree/ H2A lower barrier layer comprising a {110} -n-type boron phosphide (BP: lattice constant = 4.538Å) layer doped with silicon (Si) grown at 850 ° C. using a system atmospheric pressure MOCVD means.
(3) Trimethylgallium ((CHThree)ThreeGa) / trimethylindium ((CHThree)ThreeIn) / Ammonia (NHThree) / H2Cubic silicon (Si) doped n-type Ga at 850 ° C. using system atmospheric pressure MOCVD means0.94In0.06N layer (lattice constant = 4.538Å) to main light emitting layer (carrier concentration≈3 × 1017cm-3, Layer thickness ≈ 100 nm).
(4) (C2HFive)ThreeB / PHThree/ H2It is mainly composed of an amorphous material composed of beryllium (Be) -doped p-type boron phosphide (BP) grown at 400 ° C. and having a forbidden band width of about 3.1 eV by a system atmospheric pressure MOCVD means. Upper barrier layer.
[0042]
The {110} -boron phosphide (BP) layer constituting the lower barrier layer has a V / III ratio (= PHThree/ ((C2HFive)ThreeSince the film was formed with B) being 40, the inclination angle of the {110} crystal plane constituting the BP layer with respect to the (1.1.1.) Surface of the substrate was within 5 °. For this reason, the upper light-emitting layer (active layer) is also composed of a cubic crystal layer having excellent crystallinity and uniform alignment. In addition, the light emitting layer is Ga matched with the {110} -boron phosphide semiconductor layer by lattice matching.0.94In0.06Since it was composed of the N layer, no remarkable occurrence of misfit dislocation or the like at the bonding interface between the {110} -boron phosphide layer and the light emitting layer was observed even in the observation of the crystal structure by the cross-sectional TEM technique. .
[0043]
In the center of the p-type upper barrier layer, an ohmic surface electrode made of a gold / zinc (Au / Zn) circular electrode (diameter = 110 μm) was provided. Further, an ohmic back electrode made of aluminum (Al) was provided on substantially the entire back surface of the n-type Si substrate to constitute an LED. The constructed blue LED exhibited the characteristics described in the following items (a) to (d).
(A) Emission center wavelength: 410 nm
(B) Luminance: 7 millicandela (mcd)
(C) Forward voltage: 3.0 volts (V) (forward current = 20 mA)
(D) Reverse voltage: 6 V (reverse current = 10 μA)
In particular, {111} -silicon single crystal is used as a substrate, and a lower barrier is formed from boron phosphide (BP) having a {110} crystal plane having a small inclination angle with respect to the {111} substrate surface within 5 ° through a low-temperature buffer layer. The layer and the light emitting layer were composed of a semiconductor material that lattice matched with the lower barrier layer, thus providing a bright blue-violet LED.
[0044]
【The invention's effect】
According to the present invention, the boron-containing III-V group compound semiconductor layer is grown on the single crystal substrate at a specified temperature and a raw material supply ratio (= V / III ratio). A {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer composed of {110} crystal planes oriented at a uniform angle with respect to the surface is obtained. In addition, since the compound semiconductor element is configured by using the active layer having excellent crystallinity brought about by the action of the {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer having the same orientation, for example, light emission An effect is brought about in bringing about LED which makes a characteristic favorable.
[0045]
In particular, in the present invention, for example, when a boron-containing III-V compound semiconductor layer is formed via a low-temperature buffer layer made of a boron-containing III-V compound semiconductor, {110} arranged in substantially parallel to the substrate surface A {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer having a crystal plane can be formed sufficiently stably. For this reason, it can contribute to providing a compound semiconductor element stably.
[0046]
According to the method for manufacturing a compound semiconductor device of the present invention, the {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer is formed using MOCVD vapor phase growth means containing triethylboron and phosphine as raw materials. Therefore, it is effective in stably forming a {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer having a small inclination angle with respect to the surface of the single crystal substrate and a flat surface over a wide temperature range. It is done.
[0047]
In particular, in the present invention, the {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer is provided on a substrate made of a silicon single crystal that has heat resistance at a temperature preferable for growing the layer and is difficult to dissociate. A {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer having excellent surface smoothness can be formed. In particular, when a conductive silicon single crystal is used as a substrate, it is easy to form an electrode. For example, an LED having excellent light emission characteristics can be provided simply and easily.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a crystal structure of a boron phosphide layer grown on a {100} -silicon single crystal substrate.
FIG. 2 is a graph showing an X-ray diffraction intensity distribution of a {110} -boron phosphide layer crystal layer grown at a suitable temperature and V / III ratio.
FIG. 3 is a diagram showing an X-ray diffraction intensity distribution of a {110} -boron phosphide crystal layer grown on a {111} -silicon single crystal substrate.
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of an LED described in the first embodiment.
FIG. 5 is a schematic sectional view of a lamp described in the first embodiment.
FIG. 6 is a schematic diagram showing the positional relationship of crystal planes of a silicon single crystal according to a second example.
[Explanation of symbols]
1A LED
1B Laminated structure
1 {100} -silicon single crystal substrate
2 {110} -Boron Phosphide Crystal Layer
2a, 2b Internal region of boron phosphide crystal layer
3 Horizontal reference plane (substrate surface)
10 lamps
11 Substrate
12 Upper barrier layer
13 Surface electrode
14 Back electrode
15 pedestal
16 body
17, 18 terminals
19 Sealing resin
20 (1.1.1.)-Crystal plane
21 (1.1.0.)-Crystal plane
22 <1.1.0. > (1.1.1.) Crystal plane inclined 7.3 ° in direction
101 Single crystal substrate
102 Low temperature buffer layer
103 Lower barrier layer
104 Light emitting layer
105 Upper barrier layer
106 Surface electrode
107 Back electrode

Claims (9)

単結晶の基板の表面上に設けられた、{110}結晶面からなる、硼素(B)を構成元素とする含硼素III−V族化合物半導体層(以下、{110}−含硼素III−V族化合物半導体層という)を備えてなる化合物半導体素子であって、上記の単結晶基板の表面を水平の基準として、傾斜角度を20度(°)以下とする{110}結晶層からなる{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を備えていることを特徴とする化合物半導体素子。A boron-containing III-V compound semiconductor layer (hereinafter referred to as {110} -boron-containing III-V) having a {110} crystal plane and having boron (B) as a constituent element, provided on the surface of a single crystal substrate. A compound semiconductor device comprising a {110} crystal layer having an inclination angle of 20 degrees (°) or less with the surface of the single crystal substrate as a horizontal reference. } -A compound semiconductor device comprising a boron-containing III-V compound semiconductor layer. 上記の{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を、非晶質を含む多結晶の含硼素III−V族化合物半導体からなる緩衝層を介して設けたことを特徴とする請求項1に記載の化合物半導体素子。2. The {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer is provided via a buffer layer made of a polycrystalline boron-containing III-V compound semiconductor containing amorphous. The compound semiconductor device described in 1. 上記の{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を、導電性の珪素(Si)単結晶(シリコン)からなる基板上に設けたことを特徴とする請求項1または2に記載の化合物半導体素子。3. The compound according to claim 1, wherein the {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer is provided on a substrate made of conductive silicon (Si) single crystal (silicon). Semiconductor element. 上記の{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を設けるための単結晶の基板を、{100}結晶面を表面とする珪素単結晶としたことを特徴とする請求項3に記載の化合物半導体素子。The single crystal substrate for providing the {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer is a silicon single crystal having a {100} crystal plane as a surface. Compound semiconductor device. 上記の{110}−含硼素III−V族化合物半導体層を設けるための単結晶の基板を、{111}結晶面を表面とする珪素単結晶としたことを特徴とする請求項3に記載の化合物半導体素子。The single crystal substrate for providing the {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer is a silicon single crystal having a {111} crystal plane as a surface. Compound semiconductor device. {110}−含硼素III−V族化合物半導体層を、単結晶基板上に、750℃以上1200℃以下の温度で、硼素の原料に対するV族元素の原料の供給比率を20以上で60以下として形成することを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の化合物半導体素子の製造方法。The {110} -boron-containing III-V compound semiconductor layer is formed on a single crystal substrate at a temperature of 750 ° C. or more and 1200 ° C. or less, and the supply ratio of the group V element source to the boron source is 20 or more and 60 or less. The method for producing a compound semiconductor device according to claim 1, wherein the compound semiconductor device is formed. {110}−含硼素III−V族化合物半導体層を、単結晶基板上に、有機金属熱分解気相成長(MOCVD)法に依り、800℃以上950℃以下の温度で、トリエチル硼素((C253B)を硼素の原料とし、ホスフィン(PH3)をリンの原料として、硼素の原料に対するV族元素の原料の供給比率を20以上で60以下として形成することを特徴とする請求項6に記載の化合物半導体素子の製造方法。A {110} -boron-containing group III-V compound semiconductor layer is formed on a single crystal substrate at a temperature of 800 ° C. or higher and 950 ° C. or lower by triethyl boron ((C 2 H 5 ) 3 B) is a raw material of boron, phosphine (PH 3 ) is a raw material of phosphorus, and the supply ratio of the raw material of group V element to the raw material of boron is 20 to 60. The manufacturing method of the compound semiconductor element of Claim 6. 請求項1乃至5に記載の化合物半導体素子からなる発光素子。A light emitting device comprising the compound semiconductor device according to claim 1. 請求項8に記載の発光素子からなるランプ。A lamp comprising the light emitting device according to claim 8.
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