JP3975763B2 - リン化硼素系半導体発光素子、その製造方法、および発光ダイオード - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板上に形成されたリン化硼素系半導体層とＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層とを具備するリン化硼素系半導体発光素子に係わり、特に発光素子の発光強度を向上させるために電極構造を改良したリン化硼素系半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の一種であるリン化硼素（ＢＰ）を利用して発光ダイオード（ＬＥＤ）或いはレーザダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素子を形成する技術が知れている（米国特許第６、０６９、０２１号参照）。従来のリン化硼素系半導体発光素子は、例えば、珪素単結晶（シリコン）からなる基板上に形成されたリン化硼素層を緩衝層として含む積層構造体を用いて構成されている（上記の米国特許第６、０６９、０２１号参照）。最近では、ワイドバンドギャップのリン化硼素層を障壁（クラッド）層とするｐｎ接合型二重ヘテロ接合構造を発光部を備えた半導体発光素子用途の積層構造体も発明されている（特願２００１−１５８２８２号参照）。
【０００３】
従来のシリコンを基板とするリン化硼素系半導体発光素子は、導電性のシリコン基板の裏面に裏面電極を、また上記例の如くの積層構造体の表面側の一構成層に表面電極を配置して構成されている。表面電極或いは裏面電極は、それらを敷設するｎ形またはｐ形の半導体層にオーミック（Ｏｈｍｉｃ）接触する金属材料から構成されている（特開平２−２７５６８２号公報参照）。シリコンを基板とするリン化硼素系半導体発光素子にあって、例えば、陽（＋）極とする表面電極を、ｐ形の伝導性のリン化硼素層からなるコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層上に形成する技術が開示されている（上記の特開平２−２７５６８２号公報参照）。
【０００４】
ＬＥＤ、ＬＤ等の発光素子にあって、通常は表面電極と裏面電極とは互いに電気的な極性が反対であり、陰（−）極となる電極はｎ形半導体層上に、ｎ形半導体層とオーミック接触する金属から構成されるものとなっている。また、従来のリン化硼素系半導体発光素子にあっても、ｐ形またはｎ形半導体層と接触する電極の部位は、ｐ形またはｎ形半導体層とオーミック接触をなす金属のみから構成されている。導電性のシリコンを基板とするリン化硼素系半導体素子、特に発光素子にあって、ｐ形またはｎ形半導体層と接触する電極の部位を、それらの半導体層とオーミック接触を金属から構成すれば、表・裏面電極間に発光素子を動作させるための電流を通流するには好都合である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、例えばリン化硼素系半導体発光素子にあって、表面電極を設ける半導体層が電流の横方向への拡散が不充分となるような層厚と抵抗率を有する層だと、動作電流は、表面電極の直下の領域に位置する発光部に限り優先的に流通し、発光部の広範に拡散されない問題点がある。即ち、動作電流の通流により発光がもたらされる領域は、表面電極の直下に限定されてしまう。しかも、表面電極の直下の領域での発光は、電極に遮蔽され、簡易には外部へ取り出すに至らない欠点がある。このため、高輝度のリン化硼素系半導体発光素子を得るに問題となっていた。
【０００６】
本発明では、特にリン化硼素系半導体層を障壁層として備えたリン化硼素系半導体発光素子にあって、動作電流を、表面電極の直下の領域よりむしろその領域以外の、発光を取り出すに好都合な領域の発光部へ広範囲に流通させられる構成の表面電極を備えたＬＥＤを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は
（１）裏面に裏面電極が設けられた第１の伝導形の半導体基板と、該基板上に設けられた第１の伝導形の第１のリン化硼素系半導体層と、該第１のリン化硼素系半導体層上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、該活性層上に設けられた第２の伝導形の第２のリン化硼素系半導体層と、該第２のリン化硼素系半導体層の表面上に設けられた表面電極とを備えたリン化硼素系半導体発光素子に於いて、表面電極が、第２のリン化硼素系半導体層に直接接する、第２のリン化硼素系半導体層にオーミック接触しない金属からなる下部電極と、該下部電極に重ねて設けられた、第２のリン化硼素系半導体層にオーミック接触する金属からなる上部電極とからなり、該上部電極の一部が第２のリン化硼素系半導体層の表面と接触していることを特徴とするリン化硼素系半導体発光素子。
（２）第１のリン化硼素系半導体層が活性層に対する障壁層を構成する上記（１）に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
（３）半導体基板と第１のリン化硼素系半導体層との間に、非晶質または多結晶のリン化硼素系半導体層からなる緩衝層を有することを特徴とする上記（１）または（２）に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
（４）第１のリン化硼素系半導体層と、活性層と、第２のリン化硼素系半導体層とが、２重ヘテロ（ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｔｅｒｏ：ＤＨ）構造の発光部を構成する上記（１）ないし（３）に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
（５）第２のリン化硼素系半導体層がｐ形リン化硼素（ＢＰ）であり、下部電極が金・ゲルマニウム（Ａｕ・Ｇｅ）合金、金・インジウム（Ａｕ・Ｉｎ）合金、金・錫（Ａｕ・Ｓｎ）合金またはインジウム・錫複合酸化物（英略称：ＩＴＯ）からなることを特徴とする上記（１）ないし（４）に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
（６）上部電極が金・亜鉛（Ａｕ・Ｚｎ）合金または金・ベリリウム（Ａｕ・Ｂｅ）合金からなることを特徴とする上記（５）に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
（７）第２のリン化硼素系半導体層がｎ形ＢＰであり、下部電極が金・亜鉛（Ａｕ・Ｚｎ）合金または金・ベリリウム（Ａｕ・Ｂｅ）合金からなることを特徴とする上記（１）ないし（４）に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
（８）上部電極が金・ゲルマニウム（Ａｕ・Ｇｅ）合金、金・インジウム（Ａｕ・Ｉｎ）合金または金・錫（Ａｕ・Ｓｎ）合金からなることを特徴とする上記（７）に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
（９）下部電極と第２のリン化硼素系半導体層とがショットキー接合をなすことを特徴とする上記（１）ないし（４）に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
（１０）下部電極が、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、窒化チタン（ＴｉＮ）または炭化タングステン（ＷＣ）からなることを特徴とする上記（９）に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
である。
【０００８】
また本発明は、
（１１）第１の伝導形の半導体基板上に、第１の伝導形の第１のリン化硼素系半導体層と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、第２の伝導形の第２のリン化硼素系半導体層とを積層し、その後、半導体基板の裏面に裏面電極を、また第２のリン化硼素系半導体層の表面上に表面電極を形成するリン化硼素系半導体発光素子の製造方法に於いて、第２のリン化硼素系半導体層上に直接接して、第２のリン化硼素系半導体層にオーミック接触しない金属からなる下部電極を形成し、次いで該下部電極に重ねて、第２のリン化硼素系半導体層にオーミック接触する金属からなる上部電極を、該上部電極の一部が第２のリン化硼素系半導体層の表面と接触するように形成することを特徴とするリン化硼素系半導体発光素子の製造方法。
（１２）第１のリン化硼素系半導体層が活性層に対する障壁層を構成する上記（１１）に記載のリン化硼素系半導体発光素子の製造方法。
（１３）半導体基板と第１のリン化硼素系半導体層との間に、非晶質または多結晶のリン化硼素系半導体層からなる緩衝層を形成することを特徴とする上記（１１）または（１２）に記載のリン化硼素系半導体発光素子の製造方法。
（１４）第１のリン化硼素系半導体層と、活性層と、第２のリン化硼素系半導体層とが、２重ヘテロ（ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｔｅｒｏ：ＤＨ）構造の発光部を構成する上記（１１）ないし（１３）に記載のリン化硼素系半導体発光素子の製造方法。
である。
【０００９】
また、特に本発明は、
（１５）上記（１）ないし（１０）に記載のリン化硼素系半導体発光素子からなる発光ダイオード。
である
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１に例示する積層構造体１Ａからリン化硼素系半導体発光素子のＬＥＤを構成する場合を例にして本発明の実施の形態を説明する。
【００１１】
本発明に係わるＬＥＤ用途の積層構造体１Ａの基板１０１には、珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）やリン化ガリウム（ＧａＰ）、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）或いはリン化硼素（ＢＰ）（▲１▼Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１２０（１９７３）、ｐ．ｐ．８０２〜８０６．、及び▲２▼米国特許５，０４２，０４３号公報参照）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体単結晶を利用できる。基板１０１をなす単結晶表面の面方位は、｛１００｝、｛１１０｝、或いは｛１１１｝等から選択できる。導電性の結晶材料を基板とすれば、基板１０１の裏面に正負、何れかの極性のオーミック（Ｏｈｍｉｃ）性電極を裏面電極１０７として敷設でき、簡便に発光素子を構成するに寄与できる。特に、抵抗率を１ミリオーム（ｍΩ）以下、より望ましくは０．１ｍΩ以下とする低い比抵抗（抵抗率）の導電性単結晶基板は、順方向電圧（所謂、Ｖｆ）の低いＬＥＤをもたらすに貢献する。また、放熱性に優れるため安定した発振をもたらすＬＤを構成するに有効となる。
【００１２】
次に、上記の基板１０１表面上に積層する手順を述べる。第１の伝導形の単結晶基板１０１上には、先ず、第１の伝導形の第１のリン化硼素系半導体層１０３を形成する。本発明にあって、リン化硼素系半導体とは、硼素（Ｂ）とリン（Ｐ）とを構成元素として含む、例えばＢ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_{1- α - β - γ}Ｐ_{1- δ}Ａｓ_δ層（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）である。また、例えば、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）である。特に、発光層１０４よりも禁止帯幅の広い半導体から構成した第１のリン化硼素系半導体層は発光層に対する障壁層として利用できる。因みに本発明の云う活性層とは、発光素子では発光層である。
【００１３】
本発明では、発光層との禁止帯幅の差を約０．２ｅＶ〜０．３ｅＶとするリン化硼素系半導体から障壁層を構成するのが好ましい。例えば、有機金属熱分解気相成長（ＭＯＣＶＤ）手段に依り、成長速度を毎分２ｎｍ以上で３０ｎｍ以下とし、リン等のＶ族元素と硼素等のＩＩＩ族元素の原料の供給比率（所謂、Ｖ／ＩＩＩ比）を１５以上で６０以下の範囲にすると広い禁止帯幅のリン化硼素系半導体を形成できる。この様な条件下で形成された室温での禁止帯幅を約３ｅＶとする単量体のリン化硼素（ｂｏｒｏｎ ｍｏｎｏｐｈｏｓｐｈｉｄｅ）からは、青色帯或いはそれより長波長の発光をもたらす発光層に対する障壁層を好適に構成できる。リン化硼素系半導体の禁止帯幅は、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。障壁層を単量体のリン化硼素から構成するに際し、望ましいキャリア濃度は伝導形に拘わらず約１×１０¹⁸ｃｍ^-3〜約５×１０¹⁹ｃｍ^-3程度である。また、望ましい層厚は約１００ｎｍ〜約１０００ｎｍの範囲である。
【００１４】
基板１０１との中間に配置した緩衝層１０２上に、第１のリン化硼素系半導体層１０３を形成する手段もある。緩衝層１０２は、非晶質または多結晶のリン化硼素系半導体層から構成するのが好適である。非晶質または多結晶の緩衝層１０２は、基板１０１との格子不整合性を緩和して、ミスフィット転位等の結晶欠陥密度の小さい第１のリン化硼素系半導体層をもたらすに効果を発揮する。また、緩衝層に含まれる硼素とリンは、成長を促進する「成長核」として作用するため、その上に連続性のある第１のリン化硼素系半導体層を形成するに効果を奏する。例えば、有機金属化学的気相堆積法（ＭＯＣＶＤ法）により２５０℃〜７５０℃の温度で形成した非晶質または多結晶のリン化硼素（ＢＰ）から緩衝層を構成する例を挙げられる（米国特許６，０６９，０２１号参照）。緩衝層１０２の層厚は約１ｎｍ以上で５０ｎｍ以下、更には２ｎｍ以上で１５ｎｍ以下とするのが好ましい。
【００１５】
第１のリン化硼素系半導体層１０３上には、例えば、窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ：０≦Ｘ≦１）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる発光層１０４を形成する。発光層１０４の伝導型は第１の伝導形或いはそれとは逆の第２の伝導形を有する層から構成する。第１の伝導形の第１のリン化硼素系半導体層１０３と第２の伝導形の発光層１０４との接合により、単一ヘテロ（ＳＨ）接合構造の発光部を構成できる。発光層は、Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ（０≦Ｘ≦１）或いはリン化窒化ガリウム（ＧａＮ_1-YＰ_Y：０＜Ｙ≦１）等からなる井戸（ｗｅｌｌ）層を備えた単一或いは多重の量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造から構成することもできる。因みに、井戸層に対するバリア（ｂａｒｒｉｅｒ）層は窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_XＧａ_1-XＮ：０≦Ｘ≦１）やＧａＮ_1-ZＰ_Z（０≦Ｚ＜１、Ｚ＜Ｙ）等から構成することができる。
【００１６】
発光層１０４上に、高い禁止帯幅の第２の伝導形の第２のリン化硼素系半導体層１０５を設ければ、２重ヘテロ（ｄｏｕｂｌｅ ｈｅｔｅｒｏ：ＤＨ）構造の発光部を構成できる。第２のリン化硼素系半導体層も、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）または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）等から構成する。伝導形を互いに逆としつつ、高い禁止帯幅の第１及び第２のリン化硼素系半導体層と発光層との接合を備えた積層構造体は、単一ヘテロ接合構造に比較して高強度の発光をもたらせるｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部を有するＬＥＤを得るに利用できる。特に、第１及び第２のリン化硼素系半導体層を同厚で同一の半導体材料から構成すると、格子ミスマッチ或いは熱膨張率の相違に起因して発光層に印加される歪量を均等とするに寄与できる。これより、発光層への格子歪或いは熱歪の導入に因る発光波長の徒な変動を抑制した発光層を構成できる。
【００１７】
本発明の発光素子は、第２の伝導形の第２のリン化硼素系半導体層１０５の表面上に２層構造の表面電極１０６を設けて構成する。本発明の表面電極１０６は、下部電極１０６ａ及び上部電極１０６ｂを重層させて構成することを特徴としている。下部電極１０６ａは、第２の伝導形とは反対の第１の伝導形のリン化硼素系半導体層１０５にオーミック接触を果たす金属材料から構成する。例えば、第２のリン化硼素系半導体層をアンドープのｐ形リン化硼素（ｂｏｒｏｎｍｏｎｏｐｈｏｓｐｈｉｄｅ：ＢＰ）とした場合、下部電極１０６ａはｎ形リン化硼素系半導体層にオーミック接触をなす金・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）合金などの金合金やインジウム・錫複合酸化物（英略称：ＩＴＯ）等から形成する。逆に、ｎ形ＢＰからなる第２のリン化硼素系半導体層１０５については、ｐ形リン化硼素系半導体層にオーミック接触する金・亜鉛（Ａｕ・Ｚｎ）、金・ベリリウム（Ａｕ・Ｂｅ）等の金（Ａｕ）合金から構成する。このようにすると、下部電極と第２導電形の第２のリン化硼素系半導体層とはオーミック接触を形成しないことになる。
【００１８】
下部電極１０６ａの上部に、下部電極１０６ａに接触させて設ける上部電極１０６ｂは、第２の伝導形の第２のリン化硼素系半導体層とオーミック接触をなす金属材料から構成する。例えば、ｎ形の単量体のリン化硼素（ＢＰ）からなる第２のリン化硼素系半導体層に対しては、上部電極１０６ｂは前項に例示した金・ゲルマニウム（Ａｕ・Ｇｅ）合金、金・インジウム（Ａｕ・Ｉｎ）合金、あるいは金・錫（Ａｕ・Ｓｎ）合金等の金合金から構成する。ｐ形ＢＰ層からなる第２のリン化硼素系半導体層に対しては、前項に例示した金・亜鉛（Ａｕ・Ｚｎ）、金・ベリリウム（Ａｕ・Ｂｅ）等の金合金から構成する。この際、例えば下部電極１０６ａと上部電極１０６ｂとを同一の金属系合金から構成すると密着性に優れる表面電極１０６を形成できる。例えば、下部電極１０６ａを金合金のＡｕ・Ｚｎから、また、上部電極１０６ｂを同じく金合金のＡｕ・Ｇｅから構成すれば、密着性に優れる表面電極１０６を形成できる。
【００１９】
発光素子を動作させるための電流（動作電流）を流通させるために、上部電極１０６ｂの一部は第２のリン化硼素系半導体層１０５の表面に接触させて設ける必要がある。即ち、上部電極１０６ｂの下部電極１０６ａと接触する部分以外の領域に、第２のリン化硼素系半導体層１０５と接触する領域１０８を設ける。低い接触抵抗のオーミック接触を有する電極となすために、上部電極１０６ｂをコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層に接触させて設けることもできる。この場合のコンタクト層は第２の伝導形の層から構成する必要がある。また、発光層１０４からの発光を透過するに好都合となる透明な材料から構成するのが望ましい。表面電極１０６は下部電極１０６ａと上部電極１０６ｂとの中間に中間層を配置した多層構造から構成することもできる。中間層としては、下部及び上部電極１０６ａ、１０６ｂでの電極を構成する原子の相互拡散を抑制できる金属材料や絶縁性材料等から構成できる。また、上部電極１０６ｂ上に、例えば、表面電極１０６への結線（ボンディング）を容易とする層を積層させた多層構造の表面電極１０６を構成できる。この場合、上部電極１０６ｂ上に積層させる層は、上部電極１０６ｂへの動作電流の流通に支障を来さない導電性の材料から構成する。
【００２０】
表面電極１０６を構成する下部電極１０６ａは、上記の様に第２の伝導形の第２のリン化硼素系半導体層とはオーミック接触をなさない。従って、下部電極１０６ａを敷設した領域に於いて、上部電極１０６ｂを介して供給される動作電流の発光部への流通を阻害する作用を有する。一方、本発明では、第２のリン化硼素系半導体層とオーミック接触する上部電極１０６ｂについては、第２のリン化硼素系半導体層と接触する領域１０８を設ける構成としているため、動作電流は下部電極１０６ａの写影領域１０９以外の領域１１０へ優先的に流通される。領域１１０は表面電極１０６が設置されていない領域であり、表面電極１０６に因り遮蔽されることなく外部へ発光を取り出せる外部に開放された領域である。即ち、上部電極１０６ｂは、発光を取り出すに好都合な外部へ開放された領域１１０に動作電流を効率的に優先的に供給する作用を有するものである。結線を容易とするためには、円形の上部電極１０６ｂの直径は大凡、１００μｍ以上とするのが望ましい。
【００２１】
外部発光効率に優れる発光素子、特にＬＥＤは下部電極１０６ａを第２のリン化硼素系半導体層とショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接合をなす材料から構成してももたらされる。ショットキー接合に依るキャリアの空乏層（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）の形成に因って、下部電極１０６ａの下方への動作電流の流通が阻害されるからである。リン化硼素系半導体層にショトキー接合をなす材料としてはニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）等の単体金属及び窒化チタン（ＴｉＮ）、炭化タングステン（ＷＣ）等のその合金を例示できる。砒化ガリウム（ＧａＡｓ）等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体についてショットキー接合をなす材料は、下部電極１０６ａを構成するに適する。特に、零（０）バイアス下に於いて、空間的に大きな空乏領域を発生させる、所謂、高いショットキー障壁を生ずる材料は好適である。下部電極１０６ａをショットキー接合をなす材料から構成する場合も、上部電極１０６ｂは第２の伝導形の第２のリン化硼素系半導体層にオーミック接触する金属材料から構成する。例えば、下部電極１０６ａをＮｉとし、上部電極１０６ｂを金系合金とした表面電極１０６を例示できる。
【００２２】
下部電極１０６ａは、例えば、円形、楕円形、正方形、長方形或いは多角形の平面形状とすることができる。上部電極１０６ｂはこの下部電極１０６ａと例えば、相似の形状とする。本発明に係わる構成からなる表面電極は、ＬＥＤにあっては動作電流を発光の開放領域に拡散させて通流させる。一方、本発明に依れば、レーザ発振を誘起するために発光層の特定領域に集中的に動作電流を注入するためのレーザダイオード（ＬＤ）用途の表面電極も構成できる。ＬＤ１１２を構成するに利用できる下部電極１０６ａとそれに接触させて設けた上部電極１０６ｂとからなる表面電極１０６の断面構造を図２に模式的に例示する。図２に例示す表面電極１０６にあって、下部電極１０６ａは、素子１１２の中央部の帯状に開口された領域１１３を挟んで対向して設けてある。帯状領域１１３には第２のリン化硼素系半導体層１０５の表面が露出されている。上部電極１０６ｂは下部電極１０６ａと帯状領域１１３に露出した第２のリン化硼素系半導体層１０５との双方に接触する様に設けてある。下部電極１０６ａは第２のリン化硼素系半導体層１０５と非オーミック接触またはショットキー接触する何れかの材料から構成しているため、下部電極１０６ａが敷設されている領域の直下への動作電流の流通は阻害される。一方、上部電極１０６ｂは、帯状領域１１３で第２のリン化硼素系半導体層１０５とオーミック接触する。このため、動作電流が流通できる領域は、上部電極１０６ｂと第２のリン化硼素系半導体層１０５とが接触している領域、即ち、上記の帯状の開口領域１１３に限定される。従って、本発明の構成からなる表面電極は、電流狭窄型のＬＤを得るに貢献できる。
【００２３】
【作用】
表面電極の下部を構成する、第２の伝導形の第２のリン化硼素系半導体層に非オーミック接触をする或いはショットキー接合をなす材料から構成される下部電極は、発光が遮蔽される表面電極の写影領域に動作電流を流通するのを抑制する作用を有する。また、第２の伝導形の第２のリン化硼素系半導体層とオーミック接触をなす領域が設けられている上部電極は、発光を外部に取り出すに好都合となる外部発光領域に優先的に動作電流を流通させる作用を有する。
【００２４】
【実施例】
（第１実施例）
本発明の詳細をＬＥＤを作製した例を用いて説明する。本発明の第１実施例に係わるＬＥＤ２Ｂの平面模式図を図３に示す。また、ＬＥＤ２Ｂの図３に示す破線Ｘ−Ｘ’に沿った断面模式図を図４に示す。図３及び図４に示す積層構造体２Ａにおいて、図１に例示した積層構造体１Ａと同一の構成要素については図１と同一の符号を付してある。
【００２５】
ＬＥＤ２Ｂ用途の積層構造体２Ａは、（１１１）結晶面を表面とするアンチモン（Ｓｂ）ドープのｎ形Ｓｉ単結晶を基板１０１として構成した。本第１実施例では、第１の伝導形をｎ形とした。基板１０１上には、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、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で非晶質を主体とするリン化硼素からなる緩衝層１０２を堆積した。緩衝層１０２の層厚は５ｎｍとした。緩衝層１０２の表面には、上記のＭＯＣＶＤ法を利用して１０５０℃で成長させた、ｎ形のリン化硼素（ＢＰ）層からなる第１のリン化硼素系半導体層１０３を積層した。ｎ形の障壁層をなす第１のリン化硼素系半導体層１０３のキャリア濃度は約８×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、また、層厚は約３３０ｎｍとした。第１のリン化硼素系半導体層１０３をなす単量体のＢＰ層の室温での禁止帯幅は大凡、３．０ｅＶであった。
【００２６】
第１のリン化硼素系半導体層１０３上には、トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）／トリメチルインジウム（（ＣＨ₃）₃Ｉｎ）／アンモニア（ＮＨ₃）／Ｈ₂系常圧ＭＯＣＶＤ法により、８５０℃でに於いて、ｎ形の窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_0.94Ｉｎ_0.06Ｎ）からなる発光層１０４を積層した。発光層１０４の層厚は５０ｎｍとした。発光層１０４の表面上には、ｐ形のリン化硼素（ＢＰ）からなる第２のリン化硼素系半導体層１０５を積層した。本第１実施例では、第２の伝導形はｐ形となる。ｐ形の第２のリン化硼素系半導体層１０５のキャリア濃度は約１×１０¹⁹ｃｍ^-3とし、また、層厚は約３３０ｎｍとした。第２のリン化硼素系半導体層１０５は、室温での禁止帯幅を大凡、３．０ｅＶとする単量体のリン化硼素より構成した。伝導形を相違する第１のリン化硼素系半導体層１０３および第２のリン化硼素系半導体層１０５と発光層１０４とからｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）構造型の発光部を構成した。
【００２７】
ｐ形の第２のリン化硼素系半導体層１０５の表面の中央部には表面電極１０６を配置した。表面電極１０６を構成するための下部電極１０６ａは、第１の伝導形（本第１実施例ではｎ形である）とオーミック接触をなす金（Ａｕ）・ゲルマニウム（Ｇｅ）合金から構成した。下部電極１０６ａとした円形のＡｕ・Ｇｅ真空蒸着膜の膜厚は約０．７μｍとし、直径は９０μｍとした。下部電極１０６ａの上部には、ニッケル（Ｎｉ）真空蒸着膜を中間層１１１として被着した。中間層１１１の膜厚は約０．２μｍとした。下部電極１０６ａと中心を一致させて設けた平面形状を円形とする中間層１１１の直径は約９０μｍとした。中間層１１１上には、金・亜鉛（Ａｕ・Ｚｎ）合金からなる上部電極１０６ｂを設けた。Ａｕ・Ｚｎ真空蒸着膜の平面形状は、下部電極１０６ａと同じく円形としたが、その直径は下部電極１０６ａよりも大きく約１４０μｍとした。また、上部電極１０６ｂの周縁部は、ｐ形の第２のリン化硼素系半導体層１０５の表面にオーミック接触させた。上部電極１０６ｂをなすＡｕ・Ｚｎ膜の膜厚は、約０．６μｍとした。以上の下部電極１０６ａ、中間層１１１、及び上部電極１０６ｂから表面電極１０６を構成した。
【００２８】
ｎ形Ｓｉ単結晶基板１０１の裏面の略全面には、裏面電極１０７としてアルミニウム・アンチモン（Ａｌ・Ｓｂ）合金からなるオーミック電極を配置してＬＥＤ２Ｂを構成した。Ａｌ・Ｓｂ蒸着膜の膜厚は約２μｍとした。表面電極１０６及び裏面電極１０７を形成した後、Ｓｉ単結晶基板１０１を［２１１］方向に平行及び垂直な方向に裁断して、一辺を約３５０μｍとする正方形のＬＥＤ２Ｂを作製した。
【００２９】
表面電極１０６と裏面電極１０７との間に順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流した際のＬＥＤの発光の中心波長は４２０ｎｍとなった。一般的な積分球を利用して測定されるチップ（ｃｈｉｐ）状態での輝度は９ミリカンデラ（ｍｃｄ）となり、高発光強度のＬＥＤ２Ｂが提供された。また、表面電極１０６の下部電極１０６ａをｐ形の第２のリン化硼素系半導体層１０５に対しオーミックしない材料から構成し、動作電流を開放領域１１０に優先的に流通させる構成としたため、開放領域１１０から強度的に均一な発光をもたらせるＬＥＤを提供できた。
【００３０】
（第２実施例）
同じく本発明の詳細をＬＥＤを作製した例を用いて説明する。本第２実施例に係わるＬＥＤ３Ｂの平面模式図を図５に示す。また、ＬＥＤ３Ｂの図５に示す破線ＹーＹ’に沿った断面模式図を図６に示す。図５及び図６に示す積層構造体３Ａにおいて、図１に例示した積層構造体１Ａと同一の構成要素については図１と同一の符号を付してある。
【００３１】
ＬＥＤ３Ｂ用途の積層構造体３Ａは、（１１１）結晶面を表面とする硼素（Ｂ）ドープのｐ形Ｓｉ単結晶を基板１０１として構成した。本第１実施例では、第１の伝導形をｐ形とした。基板１０１上には、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、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で非晶質を主体とするリン化硼素からなる緩衝層１０２を堆積した。緩衝層１０２の層厚は５ｎｍとした。緩衝層１０２の表面には、上記のＭＯＣＶＤ法を利用して１０５０℃で成長させた、ｐ形リン化硼素（ＢＰ）層からなる第１のリン化硼素系半導体層１０３を積層した。ｐ形の障壁層をなす第１のリン化硼素系半導体層１０３のキャリア濃度は約２×１０¹⁹ｃｍ^-3とし、また、層厚は約４３０ｎｍとした。第１のリン化硼素系半導体層１０３をなす単量体のＢＰ層の室温での禁止帯幅は大凡、３．０ｅＶであった。
【００３２】
第１のリン化硼素系半導体層１０３上には、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、８５０℃でに於いて、ｎ形のリン化窒化ガリウム（ＧａＮ_0.95Ｎ_0.05）からなる発光層１０４を積層した。発光層１０４の層厚は１００ｎｍとした。発光層１０４の室温での禁止帯幅は約２．９５ｅＶと算定された。発光層１０４の表面上には、ｎ形のリン化硼素（ＢＰ）からなる第２のリン化硼素系半導体層１０５を積層した。本第２実施例では、第２の伝導形はｎ形となる。ｎ形の第２のリン化硼素系半導体層１０５のキャリア濃度は約８×１０¹⁸ｃｍ^-3とし、また、層厚は約４３０ｎｍとした。第２のリン化硼素系半導体層１０５は、室温での禁止帯幅を大凡、３．０ｅＶとする単量体のリン化硼素より構成した。伝導形を相違する第１のリン化硼素系半導体層１０３および第２のリン化硼素系半導体層１０５と発光層１０４とからｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）構造型の発光部を構成した。
【００３３】
ｎ形の第２のリン化硼素系半導体層１０５の表面の中央部には表面電極１０６を配置した。表面電極１０６を構成するための下部電極１０６ａは、第２のリン化硼素系半導体層１０５とショットキー接合をなすチタン（Ｔｉ）から構成した。下部電極１０６ａとしたＴｉの電子ビームによる蒸着膜の膜厚は約０．５μｍとし、直径は約１００μｍとした。下部電極１０６ａの上部にはアルミニウム（Ａｌ）真空蒸着膜を中間層１１１として被着した。中間層１１１の膜厚は約０．３μｍとした。下部電極１０６ａと中心を一致させて設けた平面形状を円形とする中間層１１１の直径は約１００μｍとした。中間層１１１上には、第２の伝導形（本第２実施例ではｎ形）の第２のリン化硼素系半導体層１０５にオーミック接触をなす金・ゲルマニウム（Ａｕ・Ｇｅ）合金からなる上部電極１０６ｂを設けた。上部電極１０６ｂは図５に示す様に円形の中心電極１０６ｃと、中心電極１０６ｃに導通させたＬＥＤ３Ｂの双方の対角線上に延在させた帯状電極１０６ｄとから構成した。中心電極１０６ｃは下部電極１０６ａ及び中間層１１１と同じく円形としたが、その直径はより大きく約１５０μｍとした。また、中心電極１０６ｃの周縁部及び帯状電極１０６ｄは、ｎ形の第２のリン化硼素系半導体層１０５の表面にオーミック接触させた。上部電極１０６ｂをなすＡｕ・Ｇｅ膜の膜厚は、約０．６μｍとした。以上の下部電極１０６ａ、中間層１１１、及び上部電極１０６ｂから表面電極１０６を構成した。
【００３４】
ｐ形Ｓｉ単結晶基板１０１の裏面の略全面には、裏面電極１０７としてアルミニウム（Ａｌ）からなるオーミック電極を配置してＬＥＤ３Ｂを構成した。Ａｌ真空蒸着膜の膜厚は約３μｍとした。表面電極１０６及び裏面電極１０７を形成した後、Ｓｉ単結晶基板１０１を［２１１］方向に平行及び垂直な方向に裁断して、一辺を約３５０μｍとする正方形のＬＥＤ３Ｂを作製した。
【００３５】
表面電極１０６と裏面電極１０７との間に順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流した際のＬＥＤの発光の中心波長は４２０ｎｍとなった。発光層１０４とヘテロ接合する障壁層である第１のリン化硼素系半導体層１０３および第２のリン化硼素系半導体層１０５を同厚の同一材料から構成したため、発光中心波長は発光層の禁止帯幅に対応するものとなった。一般的な積分球を利用して測定されるチップ（ｃｈｉｐ）状態での輝度は９ミリカンデラ（ｍｃｄ）となり、高発光強度のＬＥＤ３Ｂが提供された。また、表面電極１０６の下部電極１０６ａをｎ形の第２のリン化硼素系半導体層１０５に対しショットキー接合をなす材料から構成し、動作電流を開放領域１１０に優先的に流通させる構成としたため、開放領域１１０から強度的に均一な発光をもたらせるＬＥＤを提供できた。しかも、電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性から求めた順方向電圧（所謂、Ｖｆ）は３．６Ｖ（順方向電流＝２０ｍＡ）で、逆方向電圧は７Ｖ（逆方向電流＝１０μＡ）であり、高耐圧のＬＥＤ３Ｂが提供された。
【００３６】
【発明の効果】
本発明では、半導体基板上に設けたリン化硼素系半導体層に表面電極を設けて発光素子を作製する際に、リン化硼素系半導体層に対してオーミック接触しない或いはショットキー接合をなす下部電極と、リン化硼素系半導体層に対してオーミック接触する上部電極とを重ねて形成した重層電極から表面電極を構成することとしたので、例えばＬＥＤにあって、発光を好都合に外部に取り出せる開放領域に動作電流を有効に優先的に流通できるため、高い発光強度のリン化硼素系半導体発光素子を提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるＬＥＤの断面構造を示す模式図である。
【図２】 本発明に係わるレーザダイオードの断面構造を示す模式図である。
【図３】本発明の第１実施例に係るＬＥＤの平面模式図である。
【図４】図３に示すＬＥＤの破線Ｘ−Ｘ’に沿った断面模式図である。
【図５】本発明の第２実施例に係るＬＥＤの平面模式図である。
【図６】図５に示すＬＥＤの破線Ｙ−Ｙ’に沿った断面模式図である。
【符号の説明】
１Ａ、２Ａ、３Ａ 積層構造体
１Ｂ、２Ｂ、３Ｂ ＬＥＤ
１０１ 単結晶基板
１０２ 緩衝層
１０３ 第１のリン化硼素系半導体層
１０４ 発光層
１０５ 第２のリン化硼素系半導体層
１０６ 表面電極
１０６ａ 表面電極の下部電極
１０６ｂ 表面電極の上部電極
１０６ｃ 中心電極
１０６ｄ 帯状電極
１０７ 裏面電極
１０８ 上部電極と第２のリン化硼素系半導体層とが接触する領域
１０９ 下部電極に因る写影領域
１１０ 発光を外部へ取り出せる開放領域
１１１ 中間層
１１２ ＬＤ
１１３ 帯状領域

Claims (13)

1. 裏面に裏面電極が設けられた第１の伝導形の半導体基板と、該基板上に設けられた第１の伝導形の第１のリン化硼素系半導体層と、該第１のリン化硼素系半導体層上に設けられたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、該活性層上に設けられた第２の伝導形の第２のリン化硼素系半導体層と、該第２のリン化硼素系半導体層の表面上に設けられた表面電極とを備えたリン化硼素系半導体発光素子に於いて、上記第１のリン化硼素系半導体層が活性層に対する障壁層を構成し、表面電極が、第２のリン化硼素系半導体層に直接接する、第２のリン化硼素系半導体層にオーミック接触しない金属からなる下部電極と、該下部電極に重ねて設けられた、第２のリン化硼素系半導体層にオーミック接触する金属からなる上部電極とからなり、該上部電極の一部が第２のリン化硼素系半導体層の表面と接触していることを特徴とするリン化硼素系半導体発光素子。
2. 半導体基板と第１のリン化硼素系半導体層との間に、非晶質または多結晶のリン化硼素系半導体層からなる緩衝層を有することを特徴とする請求項１に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
3. 第１のリン化硼素系半導体層と、活性層と、第２のリン化硼素系半導体層とが、２重ヘテロ（ｄｏｕｂｌｅｈｅｔｅｒｏ：ＤＨ）構造の発光部を構成する請求項１または２に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
4. 第２のリン化硼素系半導体層がｐ形リン化硼素（ＢＰ）であり、下部電極が金・ゲルマニウム（Ａｕ・Ｇｅ）合金、金・インジウム（Ａｕ・Ｉｎ）合金、金・錫（Ａｕ・Ｓｎ）合金またはインジウム・錫複合酸化物（英略称：ＩＴＯ）からなることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
5. 上部電極が金・亜鉛（Ａｕ・Ｚｎ）合金または金・ベリリウム（Ａｕ・Ｂｅ）合金からなることを特徴とする請求項４に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
6. 第２のリン化硼素系半導体層がｎ形ＢＰであり、下部電極が金・亜鉛（Ａｕ・Ｚｎ）合金または金・ベリリウム（Ａｕ・Ｂｅ）合金からなることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
7. 上部電極が金・ゲルマニウム（Ａｕ・Ｇｅ）合金、金・インジウム（Ａｕ・Ｉｎ）合金または金・錫（Ａｕ・Ｓｎ）合金からなることを特徴とする請求項６に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
8. 下部電極と第２のリン化硼素系半導体層とがショットキー接合をなすことを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
9. 下部電極が、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、窒化チタン（ＴｉＮ）または炭化タングステン（ＷＣ）からなることを特徴とする請求項８に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
10. 第１の伝導形の半導体基板上に、第１の伝導形の第１のリン化硼素系半導体層と、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなる活性層と、第２の伝導形の第２のリン化硼素系半導体層とを積層し、その後、半導体基板の裏面に裏面電極を、また第２のリン化硼素系半導体層の表面上に表面電極を形成するリン化硼素系半導体発光素子の製造方法に於いて、上記第１のリン化硼素系半導体層を活性層に対する障壁層として形成し、第２のリン化硼素系半導体層上に直接接して、第２のリン化硼素系半導体層にオーミック接触しない金属からなる下部電極を形成し、次いで該下部電極に重ねて、第２のリン化硼素系半導体層にオーミック接触する金属からなる上部電極を、該上部電極の一部が第２のリン化硼素系半導体層の表面と接触するように形成することを特徴とするリン化硼素系半導体発光素子の製造方法。
11. 半導体基板と第１のリン化硼素系半導体層との間に、非晶質または多結晶のリン化硼素系半導体層からなる緩衝層を形成することを特徴とする請求項１０に記載のリン化硼素系半導体発光素子の製造方法。
12. 第１のリン化硼素系半導体層と、活性層と、第２のリン化硼素系半導体層とが、２重ヘテロ（ｄｏｕｂｌｅｈｅｔｅｒｏ：ＤＨ）構造の発光部を構成する請求項１０または１１に記載のリン化硼素系半導体発光素子の製造方法。
13. 請求項１ないし９の何れか１項に記載のリン化硼素系半導体発光素子からなる発光ダイオード。

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