JP3978581B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、窒化物系化合物半導体を使用した半導体発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩＮＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた青色発光ダイオード等の半導体発光素子が注目されている。従来の典型的な窒化ガリウム系発光素子は、サフィアから成る絶縁性基板即ちサブストレートの上に窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、一対の電極を素子の上面に配置した構造、又はシリコンカーバイドから成る低抵抗性基板の上に窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、一対の電極を素子の上面と下面に配置した構造となっている。
【０００３】
上述の発光素子は、周知のように多数の素子の形成されたウエハをダイシング、スクライビング、へき開等によってチップ状に切り出して製作される。この時、サフィア等から成る基板は硬度が高いため、このダイシングを良好に且つ生産性良く行うことは困難であった。更に、サファイア等はそれ自体高価であるため、材料コストの点においても不利であった。
【０００４】
このため、サファイヤやシリコンカーバイドから成る基板の代りに、シリコンから成る低抵抗性基板を使用し、この上に窒化物系化合物半導体層を形成した半導体発光素子が考えられている。シリコンは、硬度がサファイアのように高くないため、ダイシング工程等を良好に且つ生産性良く行うことができる。また、低抵抗性基板を使用した発光素子では、一対の電極を半導体基板の厚み方向に形成することができるため、電流通路の抵抗値を下げて消費電力及び動作電圧が低減されることが期待された。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、低抵抗性基板の上に窒化物系化合物半導体層を形成した場合、低抵抗性基板をｎ形シリコン基板で構成すると、この上に形成される窒化物系化合物半導体（ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩＮＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等）の構成元素である３族のアルミニウム、ガリウム、インジウム等が膜成長時の熱処理によってシリコン基板中に拡散する。これら３族の構成元素はｎ形シリコンに対してｐ形の不純物（アクセプタ不純物）として機能するため、ｎ形シリコン基板中に拡散されるとシリコン基板の表面側（窒化物系化合物半導体との境界面）の導電形を反転させてｐ形半導体領域を生成する。この結果、ｎ形のバッファ層又はｎ形の発光層とシリコン基板のｐｎ接合との組み合せによってｎｐｎ構造が生じる。即ち、シリコン基板の下面側からｎ形半導体領域、ｐ形半導体領域及びｎ形半導体領域が積層形成される。このため、発光素子の電流通路の抵抗値が増大し、期待されたほどの消費電力低減及び動作電圧低減の効果が得られなかった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、消費電力及び動作電圧を高水準に低減することができる窒化物系化合物半導体発光素子及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決し、上記目的を達成するための本発明は、ｎ形不純物を含むシリコン又はシリコン化合物から成り且つ低い抵抗率を有しているｎ形半導体基板と、
前記基板の一方の主面に隣接配置され且つ
Ａｌ _x Ｇａ _y Ｉｎ _1-X-y Ｎ _a Ｐ _1-a
ここで、ｘ及びｙは ０＜ｘ≦１
０≦ｙ＜１
０＜ｘ＋ｙ≦１ を満足する数値、
ａは０＜ａ＜１ を満足する値、
で示すことができる窒化物系化合物半導体から成り、且つｎ形不純物を含んでいるバッファ層と、
発光機能を得るために前記バッファ層に隣接配置され且つ複数の窒化物系化合物半導体層を有している半導体領域と、
前記半導体領域の表面側に配置された第１の電極と、
前記基板の他方の主面側に配置された第２の電極と
を備えていることを特徴とする半導体発光素子に係わるものである。
なお、請求項１の半導体発光素子は請求項２の方法で製造することが望ましい。
【０００８】
バッファ層は例えばＡｌＮＰ、ＡｌＧａＩｎＮＰ等の単一層、又はＤＢＲ反射膜等の複数の層の組み合せであってもよい。バッファ層は基板と同一の導電形を有していることが望ましい。 発光機能を得るための半導体領域は、ｎ形半導体層即ちｎクラッド層と活性層とｐ形半導体層即ちｐ形クラッド層とを有していることが望ましい。
【０００９】
【発明の効果】
各請求項の発明においては、バッファ層が少なくともＡｌ，Ｎ，Ｐを含む窒化物系化合物半導体なら成る。このバッファ層におけるＡｌ（アルミニウム）はバッファ層の上に結晶性の良い窒化物系化合物半導体を形成するために寄与する。もし、Ａｌを含むバッファ層にＰが含まれていなければ、Ａｌは３族の元素であってシリコンに対してアクセプタ不純物即ちｐ形不純物として機能するので、このＡｌがシリコンからなるｎ形半導体基板に拡散した時に半導体基板の表面にｐ形層を形成する虞がある。これに対し、本発明では、バッファ層にＡｌの他にシリコンに対してドナー不純物即ちｎ形不純物として機能するＰ（リン）が含められているので、リンから成るｎ形不純物が半導体基板に拡散し、Ａｌから成るｐ形不純物を相殺し、半導体基板の表面がｐ形に反転することを防止する。これにより、半導体基板に不要なｐｎ接合が発生することが阻止され、半導体発光素子の順方向電流通路の抵抗値を小さく保つことができ、半導体発光素子の消費電力及び動作電圧の低減を高水準に達成できる。
【００１０】
【実施形態】
次に、図１を参照して、本発明の１実施形態に係わる半導体発光素子としての窒化ガリウム系化合物青色発光ダイオードを説明する。
【００１１】
図１に示す本発明の１実施形態に従う発光ダイオードは、第１導電形不純物を含むシリコン単結晶から成る低抵抗性即ち導電性を有する半導体基板１と、シリコン半導体に対して第１導電形不純物として機能する元素を含む３−５族化合物半導体から成るバッファ層２と、発光機能を得るための３−５族化合物半導体領域３と、第１の電極としてのアノード電極４と、第２の電極としてのカソード電極５とを有している。
発光機能を有する半導体領域３は、主成分としてガリウムと窒素とを含む窒化ガリウム系化合物半導体層を複数有する。即ち、この発光機能半導体領域３は、ｎ形ＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｎ形半導体層６と、ｐ形のＩｎＧａＮ（窒化ガリウムインジウム）から成る活性層７と、ｐ形のＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体層８とを順次に積層したものである。ｎ形半導体層６はｎ形クラッド層、及びｐ形半導体層８はｐ形クラッド層の機能を有する。バッファ層２及び発光機能を有する半導体領域３は、基板１の上に結晶方位を揃えて順次にエピタキシャル成長させたものである。
【００１２】
基板１は、ｎ形（第１導電形）の不純物としてＡｓ（砒素）を５×１０^１８ｃｍ^−３〜５×１０^１９ｃｍ^−３程度の比較的高濃度に含み、０．００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍ程度の抵抗率を有する導電性基板である。抵抗率が比較的低い基板１はアノード電極４とカソード電極５との間の電流通路として機能する。また、基板１は、比較的厚い約３５０μｍの厚みを有し、ｎ形半導体領域６、活性層７及びｐ形半導体領域８から成る発光機能を有する半導体領域３及びバッファ層２の支持体として機能する。
【００１３】
基板１の一方の主面に形成されたバッファ層２は、
化学式
Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-X-yＮ_aＰ_1-a
ここで、ｘ及びｙは ０＜ｘ≦１
０≦ｙ＜１
０＜ｘ＋ｙ≦１ を満足する数値、
ａは ０＜ａ＜１ を満足する値、
で示すことができる３−５族化合物半導体にｎ形不純物（例えばＳｉ）を含めたものであることが望ましい。この実施形態のバッファ層２は、上記化学式におけるｘ＝０．７、ｙ＝０．２、ａ＝０．２に相当するＡｌ_0.7Ｇａ_0.2Ｉｎ_0.1Ｎ_0.2Ｐ_0.8から成る化合物半導体にシリコン（Ｓｉ）をド−プしたものから成り、シリコン基板１の上に窒化物系化合物半導体領域３（ｎ形半導体領域６、活性層７、ｐ形半導体領域８）を良好に膜成長させる機能を有する。即ち、シリコンから成る基板１の表面に窒化物系化合物半導体、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の半導体領域を直接に膜成長させることは困難であるが、バッファ層２を介して膜成長させれば、これらの半導体領域を良好な結晶性をもって形成することができる。これは、エピタキシャル成長時に、Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮａＰ_1-aバッファ層２は、シリコン基板１の面方位を良好に受け継ぐことができ、この表面に結晶性の良好な窒化物系化合物半導体領域３を膜成長させることができるためである。
【００１４】
ｎ形不純物としてシリコンがド−プされたｎ形のバッファ層２は、本発明に基づいてシリコン基板１に対してｎ形不純物即ちドナー不純物として機能する元素であるリン（Ｐ）を含む。リンはｎ形シリコン基板１の表面がｐ形に反転することを防止する。即ち、バッファ層２を構成するアルミニウムは３族の元素であってシリコン基板１に対してアクセプタ不純物即ちｐ形不純物として機能する。このため、バッファ層２を気相成長法で形成する時にアルミニウムがｎ形のシリコン基板１に拡散すると、シリコン基板１の表面にｐ形層が形成される恐れがある。しかし、本発明に従ってバッファ層２にドナー不純物即ちｎ形不純物としてのリンを含めると、アクセプタ不純物としてのアルミニウムと共にドナー不純物のリンがシリコン基板１に拡散し、シリコン基板１の表面がｐ形に反転することが防止される。このため、シリコン基板１はその厚み方向の全体に渡ってｎ形を保つ。
【００１５】
本実施形態の発光素子では、バッファ層２の厚みは、この表面に窒化ガリウム系化合物半導体領域３を良好な結晶性をもって形成できるように、例えば約２０ｎｍに設定されている。バッファ層２の厚みが０．５ｎｍ未満であると、バッファ層２の本来の機能、即ちこの表面の結晶性の良好な窒化ガリウム系化合物半導体を膜成長させる機能が十分に発揮されなくなる。一方、バッファ層２の厚みを大きくすると、この表面に膜成長される窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性が良好になり、ピット（微小な孔）の発生を抑制できる。しかし、例えば１００ｎｍを越えるようにあまり厚く形成するとバッファ層２にクラックが生じて望ましくない。従って、バッファ層２の好ましい厚みは０．５ｎｍ〜１００ｎｍである。
【００１６】
バッファ層２の上面に形成されているｎ形半導体層６即ちｎ形クラッド層は、ｎ形のＧａＮから成り、バッファ層２の表面に約５００ｎｍの厚みで形成されている。ｎ形半導体領域６のｎ形不純物（例えばシリコン）の濃度は３×１０^１８ｃｍ^−３であり、シリコン基板１のｎ形不純物の濃度よりも低い。
【００１７】
ｎ形半導体領域６の上に形成された活性層７はｐ形ＧａＩｎＮから成り、約５００ｎｍの厚みを有し、且つ３×１０^１７ｃｍ^−３のｐ形不純物濃度を有する。このｐ形不純物はマグネシウムである。
【００１８】
活性層７の上に形成されたｐ形半導体領域即ちｐ形クラッド層８はｐ形ＧａＮから成り、約５００ｎｍの厚みを有し、且つ３×１０^１８ｃｍ^−３のｐ形不純物濃度を有する。このｐ形不純物はマグネシウムである。
【００１９】
第１の電極としてのアノード電極４はｐ形半導体層８の上面の一部即ち中央部に接続されている。従って、発光機能半導体領域３から放射された光を上方向から取り出すことができる。なお、周知の電流拡散層、コンタクト層、電流制限層をｐ形半導体領域８の上に形成することができる。また、周知の光透過性導電膜を介してアノード電極４を形成することができる。第２の電極としてのカソード電極５は基板１の下面に接続されている。
【００２０】
図１の発光ダイオードを製造する時には、まず、ｎ型Ｓｉ基板１を用意する。次に、基板１上に周知のＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長法）によってドナーとしてシリコンとシリコン基板１に対してドナ−不純物として機能するリンを含むバッファ層２を形成する。即ち、ＭＯＣＶＤ装置の反応室にシリコン基板１を配置し、基板１を約１１２０℃、１０分間加熱してサ−マルクリ−ニングする。その後基板１の温度を８５０℃まで下げ、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスを６３μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）ガスを２０μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスを６．２μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアを０.２３ｍｏｌ／ｍｉｎ、ホスフィン（ＰＨ₃）を０.１ｍｏｌ／ｍｉｎ、シラン（ＳｉＨ₄ ）を２１ｎｍｏｌ／ｍｉｎの割合で約１５分間流して、ｎ形不純物としてシリコンを含むＡｌ_0.7Ｇａ_0.2Ｉｎ_0.1Ｎ_0.2Ｐ_0.8から成るバッファ層２を基板１上に約３００オングストロ−ムの厚さにエピタキシャル成長させる。
【００２１】
次に、基板１を再び１１２０℃まで昇温し、続いて、周知のＭＯＣＶＤ法によってｎ形ＧａＮから成るｎ形半導体層６、ＩｎＧａＮから成る活性層７、及びｐ形ＧａＮから成るｐ形半導体層８を順次連続して積層形成する。
【００２２】
しかる後、アノード電極４及びカソード電極５を形成して発光ダイオードを完成させる。
【００２３】
本実施形態は次の効果を有する。
（１） バッファ層２がシリコンに対してドナ−不純物として機能するリンを含む。従って、バッファ層２及び発光機能半導体層３の形成時の長時間の加熱によってシリコンに対してアクセプタ不純物として機能するＡｌがバッファ層２からシリコン基板１に拡散すると共にリンも拡散し、ドナー作用とアクセプタ作用の相殺が生じ、シリコン基板１の表面における反転層の形成が防止される。このため、不要なｐｎ接合の形成が防止され、シリコン基板１の抵抗値を小さく保つことができ、発光ダイオードの消費電力及び動作電圧の低減を高水準に達成できる。
（２） シリコン基板１を使用しているため、生産性、加工性に優れ、且つ材料コストが低減する。この結果、サファイア基板を使用する従来に比較して安価な窒化ガリウム系化合物半導体発光素子が実現できる。
（３） シリコン基板１の上に、バッファ層２を介して窒化ガリウム系化合物半導体領域３を形成しているので、シリコン基板１の上にシリコン基板１の面方位を良好に受け継いだ結晶性の良好な窒化ガリウム系化合物半導体領域３を形成することができる。このため、良好な発光特性を有する窒化ガリウム系化合物半導体発光素子を得ることができる。
（４） Ｎの一部をＰやＡｓ、Ｓｂ等で置換したバッファ層２は５族化合物がＮのみの化合物（例えばＡｌＮ）に比べて小さいバンドギャプを有する。この結果、シリコン基板１とバッファ層２とのバンドの不連続性が改善される。
【００２４】
【第２の実施形態】
第１の実施形態のＡｌ_0.7Ｇａ_0.2Ｉｎ_0.1Ｎ_0.2Ｐ_0.8から成るバッファ層２の代りに、Ｓｉド−プのＡｌＮ_0.2Ｐ_0.8のバッファ層を形成し、この他は、第１の実施形態と同一の方法で発光素子を作った。この実施形態のＡｌＮ_0.2Ｐ_0.8は上記化学式のｘ＝１、ｙ＝０、ａ＝０．２に相当する化合物半導体である。このようにバッファ層を形成しても第１の実施形態と同様な効果を得ることができる。
【００２５】
【変形例】
本発明は上述の実施形態に限定されるものでなく、例えば次の変形が可能なものである。
（１） 実施形態では、バッファ層２を構成するリン（Ｐ）がシリコン基板１に対してドナー不純物として機能している。しかし、バッファ層２の化合物半導体を構成しないがシリコンに対してドナー不純物としての機能を有する元素をバッファ層に含めることができる。
（２） 発光機能半導体領域３を形成する時にシリコンに対するドナー不純物（例えばリン）を導入し、半導体領域３側からバッファ層２を介してシリコン基板１にドナー不純物を拡散させることができる。即ち、ｎ形半導体層６と活性層７とｐ形半導体層８とのいずれか１つ又はいずれか２つ又は全部の形成時にシリコンに対するドナー不純物を導入し、これをシリコン基板１に拡散することができる。この場合、ｎ形半導体層６又は活性層７又はｐ形半導体層８が例えばリン（Ｐ）を含む化合物半導体（例えばＩｎＧａＰＮ）のようにシリコン基板１のドナー不純物となり得る構成元素を含む場合には、この構成元素をシリコンのドナー不純物としてエピタキシャル成長工程においてシリコン基板１に拡散させることができる。
（３） 基板１、バッファ層２、発光機能半導体領域３の導電形を図１の実施形態と逆にすることができる。
（４） 発光機能半導体領域３に含まれる窒化ガリウム系半導体層の数を増やすこと又は減らすことができる。
（５） 半導体領域３の各層６、７、８をＧａＮ、ＡｌＮＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ、ＡｌＮ等の窒化物系化合物半導体とすることができる。
（６） 基板１は単結晶シリコンであることが望ましいが、導電性を有する多結晶シリコン又はシリコン化合物とすることができる。
（７） バッファ層２を示す化学式Ａｌ_xＧａ_yＩｎ_1-x-yＮ_aＰ_1-aのＰをＡｓ又はＳｂに置き変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態に係わる発光ダイオードを示す断面図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板
２ ＡｌＧａＩｎＮＰバッファ層
３ 発光機能半導体領域
４ アノード電極
５ カソード電極

Claims (2)

1. ｎ形不純物を含むシリコン又はシリコン化合物から成り且つ低い抵抗率を有しているｎ形半導体基板と、
   前記基板の一方の主面に隣接配置され且つ
   Ａｌ _x Ｇａ _y Ｉｎ _1-X-y Ｎ _a Ｐ _1-a
   ここで、ｘ及びｙは ０＜ｘ≦１
   ０≦ｙ＜１
   ０＜ｘ＋ｙ≦１ を満足する数値、
   ａは０＜ａ＜１ を満足する値、
   で示すことができる窒化物系化合物半導体から成り、且つｎ形不純物を含んでいるバッファ層と、
   発光機能を得るために前記バッファ層に隣接配置され且つ複数の窒化物系化合物半導体層を有している半導体領域と、
   前記半導体領域の表面側に配置された第１の電極と、
   前記基板の他方の主面側に配置された第２の電極と
   を備えていることを特徴とする半導体発光素子。
2. ｎ形不純物を含むシリコン又はシリコン化合物から成り且つ低い抵抗率を有しているｎ形半導体基板を用意する工程と、
   前記基板の一方の主面上に
   Ａｌ _x Ｇａ _y Ｉｎ _1-X-y Ｎ _a Ｐ _1-a
   ここで、ｘ及びｙは ０＜ｘ≦１
   ０≦ｙ＜１
   ０＜ｘ＋ｙ≦１ を満足する数値、
   ａは０＜ａ＜１ を満足する値、
   で示すことができる窒化物系化合物半導体から成り、且つｎ形不純物を含んでいるバッファ層を気相成長法によって形成する工程と、
   前記バッファ層の上に発光機能を得るための複数の窒化物系化合物半導体層を含む半導体領域を気相成長法で形成する工程と、
   前記半導体領域の表面側に第１の電極を形成し、前記基板の他方の主面側に第２の電極を形成する工程と
   を備えていることを特徴とする半導体発光素子の製造方法。

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