JP3981797B2 - 半導体発光素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層を備えた青色系発光素子（青色発光ダイオード）は公知である。この種の発光素子は、サファイアから成る絶縁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】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の発光素子は周知のように多数の素子の作り込まれたウエハをダイシング、スクライビング、へき開等によって切り出して製作される。この時、サファイ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よく行うことが困難であった。また、サファイア等はそれ自身高価であり、材料コストの面でも不利である。
【０００４】
そこで、本願出願人は、サファイアやシリコンカーバイドから成る基板の代わりに、シリコンから成る低抵抗基板を使用した半導体発光素子を試作した。硬度がサファイアのように高くないシリコン等によって基板を構成すれば、ダイシング工程などを良好に且つ生産性よく行うことが可能であり、また一対の電極を半導体基体の上面と下面に対向して配置すれば、電流通路を半導体基体の厚み方向に形成することができ、電流通路の抵抗値を下げて消費電力及び動作電圧の低減化も期待された。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シリコン等から成る基板は、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層から放出された波長３６５〜６２０ｎｍの光に対して吸収層として機能する。このため、サファイア又はシリコンカーバイドから成る基板を用いた発光素子に比べて発光層からの光を効率よく外部に放出し難いことが分かった。即ち、サファイア又はシリコンカーバイドから成る基板を用いた発光素子によれば、基板が発光層から放出される光を吸収しないため、基板内を透過した光を基板下面で反射させることによって光を比較的良好に素子外部に取り出すことができる。一方、シリコン等から成る基板は発光層から放出された光を吸収してしまうため、発光層から下側に導出された光についての損失が大きく、発光効率（外部量子効率）を高めることが困難であった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、シリコン等から成る低抵抗性基板を用いた半導体発光素子において、外部量子効率即ち発光効率を高めた発光素子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、導電性を有する半導体基板と、前記半導体基板の一方の主面上に形成された導電性を有する反射領域と、前記反射領域の上に形成されており且つ窒化ガリウム系化合物から成る第１の導電形の第１の半導体領域と、前記第１の半導体領域の上に形成されており且つ窒化ガリウム系化合物から成り且つ前記第１の導電形と反対の第２の導電形を有している第２の半導体領域と、前記第２の半導体領域の表面上の一部に形成された第１の電極と、前記半導体基板の他方の主面に形成された第２の電極とを備え、前記反射領域は、相対的に低い屈折率を有する低屈折率領域と、前記低屈折率領域の屈折率よりも大きい屈折率を有する高屈折率領域とが交互に積層されたものから成り、前記低屈折率領域はバリア層と井戸層とが交互に積層されたものから成り、前記高屈折率領域は井戸層とバリア層とが交互に積層されたものから成り、前記高屈折率領域の井戸層はＩｎ(インジウム)を含む窒化物から成り、前記低屈折率領域のバリア層及び井戸層、及び前記高屈折率領域のバリア層はＩｎを含まないか又は前記高屈折率領域の井戸層のＩｎの含有率よりも低い含有率でＩｎを含む窒化物から成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。
【０００８】
なお、請求項２に示すように、低屈折率領域の井戸層は、ＡｌzＧａ1-zＮ(但し、ｚは０≦ｚ≦０．５を満足する数値)から成り、低屈折率領域のバリア層は、ＡｌwＧａ1-wＮ(但し、ｗはｗ＞ｚを満足する数値)から成り、高屈折率領域の井戸層は、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（但し、ｘ及びｙは０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ＜１を満足する数値）から成り、高屈折率領域のバリア層は、ＡｌtＧａ1-tＮ（但し、ｔは０≦ｔ≦１及び０≦１−ｔ≦１を満足する数値）から成ることが望ましい．
また、請求項３に示すように、第１の半導体領域と前記第２の半導体領域との間に活性層が介在していることが望ましい。
また、請求項４に示すように、前記反射領域を、反射ピークが生じる波長が互いに異なり且つ互いに積層された少なくと第１及び第２の反射領域とすることができる。
また、低屈折率領域のバリア層及び高屈折率領域のバリア層の厚みは５〜１００オングストローム、低屈折率領域の井戸層及び高屈折率領域の井戸層の厚みは５〜２００オングストロームとすることが望ましい．
【０００９】
【発明の効果】
本願各請求項の発明は次の効果を有する。
（１） 半導体基板の上に、異なる実効屈折率を有する低屈折率領域と高屈折率領域とからなる反射領域が形成されているので、発光領域から基板側に放出された光は、反射領域によって基板の上側に反射される。この結果、発光素子の発光効率を増大することができる。
（２） 反射領域にＩｎを含めたので、反射領域がバッファ層として良好に機能し、発光特性が良好に得られる。即ち、発光特性が良好に得られる第１の理由は、半導体基板の一方の主面に形成されたＩｎを含む反射領域が半導体基板の結晶方位を良好に引き継ぐことができ、この反射領域の主面に半導体領域を良好に形成することができることにある。発光特性が良好に得られる第２の理由は、半導体基板とＧａＮ系半導体領域との間にＩｎを含む井戸層とバリア層を有する高屈折率層を介在させることによって、反射領域の応力に基づく歪みが発生することを良好に防止できること、及び反射領域の上面に形成されるＧａＮ系半導体領域にクラックが生じることを防止できることにある。
（３） 消費電力及び動作抵抗を低減することができる。即ち、基板が導電性を有する半導体基板であるので、電流通路を半導体領域の厚み方向に形成することができ、サファイア等から成る絶縁性基板を使用した従来の発光ダイオードに比べて電流通路の抵抗値を下げて消費電力及び動作電圧の低減化を図ることができる。
【００１０】
【実施形態及び実施例】
次に、図１〜図７を参照して本発明の実施形態及び実施例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】
【第１の実施例】
図１及び図２に示す本発明の第１の実施例に従う青色発光ダイオードは、シリコン基板から成る低抵抗性半導体基板（以下、低抵抗性基板という）１１、反射領域としての分布ブラッグ反射膜即ち超格子ＤＢＲ（Distributed Braｇｇ Reflectors）層１２、ＧａＮ（窒化ガリウム）から成る第１の半導体領域としてのｎ形半導体領域１３、ｐ形のＩｎＧａＮ（窒化ガリウムインジウム）から成る活性層１４、及び第２の半導体領域としてのＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体領域１５を順次に積層した構成の板状基体１６と、この基体１６の一方の主面（上面）即ちｐ形半導体領域１５に電気的に接続されたアノード電極１７と、この基体１６の他方の主面（下面）即ち低抵抗性基板１１の下面に電気的に接続されたカソード電極１８とを備えている。なお、超格子ＤＢＲ層１２、ｎ形半導体領域１３、活性層１４、及びｐ形半導体領域１５は低抵抗性基板１１の上に順次にそれぞれの結晶方位を揃えて成長させたものである。
【００１２】
低抵抗性基板１１は、ｎ形導電形不純物として例えばＡｓ（砒素）が５×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１ 9ｃｍ−３程度の高濃度で導入され且つ（１１１）面を有するｎ＋形のシリコン単結晶基板から成り、その抵抗率は０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍ程度であって、実質的に導電体と呼ぶことができるものである。従って、この低抵抗性基板１１はカソード電極１８と共に発光ダイオードのカソード電極として機能する。なお、本実施例では、ｐ形半導体領域１５、活性層１４及びｎ形半導体領域１３から成る発光部の支持体として機能するように低抵抗性基板１１の厚みを約３５０μｍに設定した。
【００１３】
低抵抗性基板１１の一方の主面全体を被覆するように形成された導電性を有する反射領域としての超格子ＤＢＲ層１２は、低屈折率領域としての低屈折率層１２ａと高屈折率領域としての高屈折率層１２ｂとが交互に積層されたものである。即ち、図１では図示の都合上低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂとがそれぞれ２層のみ示されているが、実際の超格子ＤＢＲ層１２は低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂとをそれぞれ１０層有し、これ等が交互に積層され、合計で２０層に形成されている。
低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂの厚みは、活性層から放出される光の波長等によって決定される。本実施例では波長４５０ｎｍ付近に発光波長ピークを有するＧａＮ系化合物半導体発光素子が使用されているため、超格子ＤＢＲ層１２は４５０ｎｍの波長の光に対して最大反射率（反射ピーク）を有するように形成されている。ここで、低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂの厚みは、λ／４×１／ｎ（λは発光波長、ｎは屈折率）により求めることができる。従って、低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂを構成する後述の量子井戸層とバリア層の厚みを等しくした場合には、低屈折率層１２ａをＡｌとＧａＮの超格子で構成すると、その実効屈折率は２．４１となり、その層厚は約４６４オングストロームとなる。一方、高屈折率層１２ｂはＩｎＮとＧａＮの超格子で構成すると、その実効屈折率は２．８となり、その層厚は約４００オングストロームとなる。以上より、本実施例の超格子ＤＢＲ層１２の厚みは、合計で約８５００オングストロ−ムである。
【００１４】
低屈折率層１２ａは、図３に示すように複数の障壁層即ちバリア層２１と複数の量子井戸層２２とを交互に積層したものから成る。バリア層２１は、ＡｌwＧａ1-wＮ（但し、ｗはｚ＜ｗ≦１を満足する数値、ｚは０≦ｚ≦０．５を満足する数値）においてｗ＝１にしたものに相当するＡｌＮから成る絶縁性の極薄の膜であり、量子井戸層２２はＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ≦０．５）においてｚ＝０にしたもものに相当するＧａＮから成るｎ形半導体領域の極薄の膜である。量子井戸層２２の厚みは、量子井戸準位ができるように５〜２００オングストロームとするのが望ましく、本実施例では５８オングストロームとされている。また、バリア層２１の厚みは量子力学的なトンネル効果を得ることができるように１００オングストローム以下とするのが望ましく、本実施例では量子井戸層と同じ厚みの５８オングストロームとされている。ＡｌＮから成るバリア層２１とＧａＮから成る量子井戸層２２をそれぞれ４層有し、合計で８層に形成された低屈折率層１２ａの厚みは４６４オングストロームである。なお、井戸層２２は、基板１１と同一の導電形にすることが望ましく、ｎ形不純物としてＳｉがド−ピングされている。もし、基板１１がｐ形の場合には井戸層２２にｐ形不純物としてＭｇをド−ピングする。
【００１５】
高屈折率層１２ｂは、図４に示すように複数の量子井戸層２３と複数のバリア層２４とを交互に積層したものから成る。量子井戸層２３はＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ＜１、０≦ｘ≦０．５）において、ｘ＝ｙ＝０にしたものに相当するＩｎＮから成る極薄のｎ形半導体領域から成る。バリア層２４は、ＡｌtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜１）において、ｔ＝０に相当するＧａＮから成る絶縁性の極薄の膜である。量子井戸層２３は、量子井戸準位が形成できるように５〜２００オングストロームにすることが望ましく、本実施例では５０オングストロームとされている。また、バリア層２４の厚みは量子力学的なトンネル効果が得られるように、５〜１００オングストロームの範囲にすることが望ましく、本実施例では量子井戸層と同じ５０オングストロームとされている。ＩｎＮから成る量子井戸層２３とＧａＮから成るバリア層２４をそれぞれ４層有し、合計で８層に形成された高屈折率層１２ｂの厚みは４００オングストロームである。なお、井戸層２３は、基板１１と同一の導電形にすることが望ましく、ｎ形不純物としてＳｉがド−ピングされている。もし、基板１１がｐ形の場合には井戸層２３にｐ形不純物としてＭｇをド−ピングする。
【００１６】
低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂは周知のＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長方法）によってそれぞれＡｌＮ層及びＧａＮ層と、ＩｎＮ層及びＧａＮ層を順次連続して積層形成したものである。即ち、シリコン単結晶の低抵抗性基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置し、まず１１２０℃で１０分間のサーマルクリーニングを施して表面の酸化膜を除去する。
【００１７】
次に、反応室内に６６ｃｃ（６３μmol ／分）のＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスと３リットル（０．１４mol ／分）のＮＨ3 （アンモニア）ガスを約３１秒間かけて供給して、厚さ約５８オングストロームのＡｌＮから成るバリア層２１を形成する。次に、ＴＭＡガスの供給をストップして、反応室内に２０ｃｃ（６３μmol ／分）のＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスと２００ｃｃ（２１ｎmol ／分）のシラン（ＳｉＨ4 ）を約１７秒間かけて供給して厚さ約５８オングストロームのＧａＮから成る量子井戸層２３を形成する。ここで、シランガスは形成膜中にｎ形不純物としてのＳｉを導入するためのものである。これを４回繰り返して、層厚の合計が４６４オングストロームの低屈折率層１２ａを得る。
【００１８】
続いて、低屈折率層１２ａを有する基板１１の温度を７００℃まで下げた後、反応室内に１５０ｃｃ（５９μmol ／分）のＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガスと５リットル（０．２３mol ／分）のＮＨ3 （アンモニア）ガスと２００ｃｃ（２１ｎmol ／分）のシラン（ＳｉＨ4 ）を約１９５秒間かけて供給して、厚さ約５０オングストロームのＩｎＮから成る量子井戸層２３を低屈折率層１２ａの上に形成する。次に、ＴＭＩガスの供給をストップして、反応室内に２．１ｃｃ（６．２μmol ／分）のＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスと５リットル（０．２３mol ／分）のＮＨ3 （アンモニア）ガスを約１５５秒間かけて供給して厚さ約５０オングストロームのＧａＮから成るバリア層２４を形成する。これを４回繰り返して、層厚の合計が４００オングストロームの高屈折率層１２ｂを得る。
【００１９】
低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂとの形成を同一の方法で交互に１０回繰り返して合計２０層の超格子ＤＢＲ層１２を得る。
【００２０】
超格子ＤＢＲ層１２の上面に設けられたｎ形半導体領域１３、活性層１４及びｐ形半導体領域１５は周知のＭＯＣＶＤ法によって順次連続して形成したものである。即ち、上面に超格子ＤＢＲ層１２が形成された低抵抗性基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置して、反応室内にまずトリメチルガリウムガス即ちＴＭＧガス、ＮＨ3 （アンモニア）ガス、ＳｉＨ4 （シラン）ガスを供給してバッファ層１２の上面にｎ形半導体領域１３を形成する。ここで、シランガスは形成膜中にｎ形不純物としてのＳｉを導入するためのものである。本実施例では超格子ＤＢＲ層１２が形成された低抵抗性基板１１の加熱温度を１０４０℃とした後、ＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量を約４．３μmol ／分、ＮＨ3 ガスの流量即ちＮＨ3 の供給量を約５３．６ｍmol ／分、シランガスの流量即ちＳｉの供給量を約１．５ｎmol ／分とした。また、本実施例では、ｎ形半導体領域１３の厚みを約２μｍとした。また、ｎ形半導体領域１３の不純物濃度は約３×１０１８ｃｍ−３であり、低抵抗性基板１１の不純物濃度よりは十分に低い。なお、本実施例によればバッファ層として機能する超格子ＤＢＲ層１２が介在することにより、比較的高温でｎ形半導体層１３を超格子ＤＢＲ層１２の上面に直接に形成することが可能になる。
【００２１】
続いて、低抵抗性基板１１の加熱温度を８００℃とし、反応室内にＴＭＧガス、アンモニアガスに加えてトリメチルインジウムガス（以下、ＴＭＩガスという）とビスシクロペンタジェニルマグネシウムガス（以下、Ｃｐ2 Ｍｇガスという）を供給してｎ形半導体領域１３の上面にｐ形ＩｎＧａＮから成る活性層１４を形成する。ここで、Ｃｐ2 Ｍｇガスは形成膜中にｐ形導電形の不純物としてのＭｇを導入するためのものである。本実施例では、ＴＭＧガスの流量を約１．１μmol ／分、ＮＨ3 ガスの流量を約６７ｍmol ／分、ＴＭＩガスの流量即ちＩｎの供給量を約４５μmol ／分、Ｇｐ2 Ｍｇガスの流量即ちＭｇの供給量を約１２ｎmol ／分とした。また、活性層１４の厚みは約２０オングストローム、活性層１４の不純物濃度は約３×１０１７ｃｍ−３である。
【００２２】
続いて、低抵抗性基板１１の加熱温度を１０４０℃とし、反応室内にＴＭＧガス、アンモニアガス及びＣＰ2 Ｍｇガスを供給して活性層１４の上面にｐ形ＧａＮから成るｐ形半導体領域１５を形成する。本実施例では、この時のＴＭＧガスの流量を約４．３μmol ／分、アンモニアガスの流量を約５３．６μmol ／分、Ｃｐ2 Ｍｇガスの流量を約０．１２μmol ／分とした。また、ｐ形半導体領域１５の厚みは約０．５μｍ、ｐ形半導体領域１５の不純物濃度は約３×１０１８ｃｍ−３である。
【００２３】
上記のＭＯＣＶＤ成長方法によれば、バッファ層としての機能及び光反射層としての機能を有する超格子ＤＢＲ層１２の上面に、この超格子ＤＢＲ層１２の結晶方位に揃えてｎ形半導体領域１３、活性層１４及びｐ形半導体領域１５を形成することができる。即ち、単結晶シリコン基板から成る低抵抗性基板１１の結晶方位を良好に引き継いでいる超格子ＤＢＲ層１２の上にこれを核としてｎ形半導体領域１３、活性層１４及びｐ形半導体領域１５が順次に良好にエピタキシャル成長される。
【００２４】
第１の電極としてのアノード電極１７は、例えばニッケルと金を周知の真空蒸着法等によって半導体基体１６の上面に付着させることによって形成し、ｐ形半導体領域１５の表面に低抵抗接触させる。このアノード電極１７は図２に示すように円形の平面形状を有しており、半導体基体１６の上面のほぼ中央に配置されている。半導体基体１６の上面のうち、アノード電極１７の形成されていない領域１９は、光取り出し領域として機能する。
【００２５】
第２の電極としてのカソード電極１８は、半導体基体１６の上面に形成せずに、例えばチタンとアルミニウムを周知の真空蒸着法等によって基板１１の下面に形成し、低抵抗性基板１１の下面全体に低抵抗接触させる。
【００２６】
図１の青色発光ダイオードを外部装置に取付ける時には、例えばカソード電極１８を回路基板等の外部電極に対して半田又は導電性接着剤で固着し、アノード電極１７を周知のワイヤボンディング方法によって外部電極に対してワイヤで電気的に接続する。
【００２７】
本実施例の青色発光ダイオードによれば、次の効果が得られる。
（１） サファイアやシリコンカーバイドに比べて著しく低コストであり加工性も良いシリコンから成る基板１１を使用することができるので、材料コスト及び生産コストの削減が可能である。このため、従来では他の発光素子に比べて高価であったＧａＮ系発光ダイオードのコスト削減が可能となる。
（２） シリコンから成る基板１１に発光素子が形成できるため、基板１１内に他の電子素子を形成することができ、ＧａＮ系半導体発光素子がその他の半導体素子と同一の半導体基板内に集積された半導体集積回路を容易に実現できる。
（３） 光吸収性を有するシリコンから成る低抵抗性基板１１の上に、異なる実効屈折率を有する超格子層（ＡｌＮ／ＧａＮ）から成る低屈折率層１２ａと超格子層（ＩｎＮ／ＧａＮ）から成る高屈折率層１２ｂとを一組とする分布ブラッグ反射膜（超格子ＤＢＲ膜）の複数から成る超格子ＤＢＲ層１２が形成されている。従って、発光層即ち活性層１４から基体１６の下面側に放出された光は、超格子ＤＢＲ層１２によって基体１６の上面側に反射される。この結果、発光素子の外部量子効率即ち発光効率を増大することができる。
（４） 超格子ＤＢＲ層１２がバッファ層として良好に機能するため、発光特性が良好に得られる。即ち、発光特性が良好に得られる第１の理由は、低抵抗性基板１１の一方の主面に形成されたＡｌＮ層２１及びＧａＮ層２２から成る低屈折率層１２ａとＩｎＮ層２３及びＧａＮ層２４から成る高屈折率層１２ｂから構成される超格子ＤＢＲ層１２が、シリコンから成る低抵抗性基板１１の結晶方位を良好に引き継ぐことができ、このＤＢＲ層１２を核としてその一方の主面にｎ形半導体領域１３、活性層１４及びｐ形半導体領域１５を順次、結晶性を良好にして積層形成することができることにある。
発光特性が良好に得られる第２の理由は、低抵抗性基板１１とＧａＮ系半導体領域との間にＩｎＮ層２１及びＧａＮ層２４が複数積層されて成る高屈折率層１２ｂを介在させることによって、超格子ＤＢＲ層１２の応力に基づく歪みが発生することを良好に防止できること、及び超格子ＤＢＲ層１２の上面に形成されるＧａＮ系半導体領域にクラックが生じることを防止できることにある。即ち、低抵抗性基板１１とＧａＮ系半導体領域との間に例えばＡｌxＧａ1-xＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１を満足する数値）層及びＧａＮ層が複数積層されて成るバッファ層を介在させた場合には、このバッファ層の歪みを緩和するためにその上に形成されるＧａＮ系半導体領域にクラックが生じ易い。これに対し、本発明に従って低抵抗性基板１１とＧａＮ系半導体領域との間にＡｌxＧａ1-x層及びＩｎyＧａ1-yＮ層を含む超格子ＤＢＲ層１２を介在させた場合には、ＧａＮ系半導体領域にクラックをほとんど生じさせることなく、超格子ＤＢＲ層１２の応力緩和、歪み緩和が可能である。この理由は必ずしも明らかではないが、ＩｎyＧａ1-yＮのある結晶面がスリップ等により超格子ＤＢＲ層１２に内在した歪みを開放、緩和しているためと考えられる。
【００２８】
【第２の実施例】
次に、図５及び図６を参照して第２の実施例の窒化カリウム系化合物青色発光ダイオードを証明する。但し、図５及び図６において、図１〜図４と実質的に同一の部分には同一の符号を付けてその証明を省略する。
【００２９】
図５の発光ダイオードは、図１の反射領域としてのＤＢＲ層１２を変形した反射領域としてのＤＢＲ層１２’を設けた他は図１と同一に構成したものである。図５で概略的に示されている反射領域としてのＤＢＲ層１２’は、反射ピークが互いに異なる第１及び第２の反射領域４１,４２を有する。
第１及び第２の反射領域４１,４２は基板１１とｎ形半導体領域１３との間に互いに積層状態に配置されている。
【００３０】
第１の反射領域４１は、第１の波長として４５０nmに反射ピークを有するものであって、１０個の低屈折率領域４１aと１０個の高屈折率領域４１ｂとを交互に積層状態に配置したものから成る。
第２の反射領域４２は第２の波長として４７０nmに波長ピークを有するものであって、１０個の低屈折率領域４２aと１０個の高屈折率領域４２bとを交互に積層状態に配置したものから成る。
【００３１】
第１の反射領域４１の低屈折率領域４１ａは,図６(Ｂ)に示すように５８オングスロームの厚さを有するＡＩから４個のバリア層５１と、５８オングストロームの厚さを有するＧａＮから成る４個の井戸層５２とを交互に積層状態に配置したものから成り、第１の実施例における図３の低屈折率層１２ａと同一に構成されている。第１の反射領域４１の高屈折率領域４１ｂは、図６（Ａ）に示すように５０オングストロームの厚さを有するＩｎＮから成る４個の井戸層５３と、５０オングストロームの厚さを有するＧａＮから成る４個のバリア層５４とを交互に積層状態に配置したものから成り、図４の高屈折率層１２ｂと同一に構成されている。
第１の反射領域４１の１つの低屈折率領域４１ａの厚みは４６４オングストロームであり、１つの高屈折率領域４１ｂの厚みは４００オングストロームである。
【００３２】
第２の反射領域４２の低屈折率領域４２ａは、図６(Ｄ)に示すように６１オングストロームの厚さを有するＡＩＮから４個のバリア層６１と、６１オングストロームの厚さを有するＧａＮから成る４個の井戸層６２とを交互に積層状態に配置したものから成る。第２の反射領域４２の高屈折率領域４２ｂは、図６（Ｃ）に示すように５２オングストロームの厚さを有するＩｎＮから成る４個の井戸層６３と、５２オングストロームの厚さを有するＧａＮから成る４個のバリア層６４とを交互に積層状態に配置したものから成る。
第２の反射領域４２の１つの低屈折率領域４２ａの厚みは４８８オングストロームであり、１つの高屈折率領域４２ｂの厚みは、４１６オングストロームである。
【００３３】
図６の低屈折率層４１ａ，４２ａのバリア層５１，６１は第１の実施例のこれと同様にＡＩwＧａ1-wＮ(但し、ｗはｗ＞ｚを満足する数値)で形成することができ、またこの井戸層５２,６２は、第１の実施例のこれと同様にＡＩzＧａ1-zＮ(但し、ｚは０≦ｚ≦０．５を満足する数値)で形成することができる。また、図６の高屈折率層４１ｂ,４２ｂの井戸層５３,６３は第１の実施例のこれと同様にＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ(但し、ｘ,ｙは０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１を満足する数値)で形成することができ,バリア層５４,６４は第１の実施例のこれと同様にＡｌtＧａ1-tＮ(但し,ｔは０≦ｔ≦１及び０≦１−ｔ≦１を満足する数値)で形成することができる。
【００３４】
第２の実施例のように反射ピークが接近している第１及び第２の反射領域４１,４２を設けると、外部に取り出す光の発光波長に広がりを持たせることができる。なお、第２の実施例の第１及び第２の反射領域４１,４２は第１の実施例の反射領域１２と同一物質で形成されているので、第１の実施例と同一の作用効果も得ることができる。
【００３５】
【変形例】
本発明は上述の実施例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） 第１の実施例では低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂとがそれぞれ１０層づつ合計２０層形成されてなる超格子ＤＢＲ層１２を示したが、低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂとをそれ以上のペアー、又はそれ以下のペアーで交互に積層しても良い。但し、良好な反射機能と平坦性の良い窒化ガリウム系化合物半導体を形成するためのバッファ機能を良好に得るために３ペアー以上、望ましくは５ペアー以上設けることが良い。また多数に積層してもＤＢＲ層の反射効率が飽和するので、生産性などの観点から１５０ペアー以下とすることが望ましい。
（２） 実施例では、低屈折率層１２ａ及び低屈折率４１ａ、４２ａのバリア層２１、５１，６１はＡｌwＧａ1-wＮ（ｚ＜ｗ≦１）においてｗ＝１にしたものに相当するＡｌＮ層であるが、ｗはｚ＜ｗ≦１を満足する任意の値に設定できる。なお、ｗ＜ｚを満足するように設定する理由はＡｌzＧａ1-zＮを井戸層として機能させる為に、ＡｌzＧａ1-zＮのエネルギーレベルをＡｌwＧａ1-wＮのエネルギーレベルよりも低く設定する必要があるからである。また、実施例では、低屈折率層１２ａ及び低屈折率領域４１ａ、４２ａの量子井戸層２２、５２，６２をＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ≦０．５）のｚ＝０としたものに相当するＧａＮ層としたが、ｚは０≦Ｚ≦０．５を満足する任意の値に設定できる。なお、０≦ｚ≦０．５を満足するように設定する理由は、Ａｌの混晶率をあまり高めると導電性が低下して素子の動作電圧が増加するからである。
（３） 実施例では、高屈折率層１２ｂ及び高屈折率領域４１ｂ、４２ｂのバッファ層２４、５４，６４をＡｌtＧａ1-tＮ（０≦ｔ≦１）のｔ＝０に相当するＧａＮ層としたが、ｔは上記条件を満足する任意の値に設定できる。また、実施例では、高屈折率層１２ｂ及び高屈折率領域４１ｂ、４２ｂの量子井戸層２３、５３，６３をＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ＜１、０≦ｘ≦０．５）においてｘ＝ｙ＝０としたものに相当するＩｎＮによって形成したが、ｘ、ｙは０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ＜１、０≦Ｘ≦０．５を満足する任意の値に設定できる。なお、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮを井戸層として機能させる為に、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮのエネルギーレベルをＡｌtＧａ1-tＮのエネルギーレベルよりも低く設定する必要がある
（４） 高屈折率層１２ｂ及び高屈折率領域４１ｂ、４２ｂのバリア層２４，５４，６４もＩｎを含有していても良い。ただし、それぞれが井戸層またはバリア層として良好に機能するように、井戸層２３，５３，６３におけるＩｎの含有率（混晶比）をバリア層２４，５４，６４におけるＩｎの含有率（混晶比）よりも大きくする。
（５） 低屈折率層１２ａ及び低屈折率領域４１ａ，４２ａと高屈折率層１２ｂ及び高屈折率領域４１ｂ、４２ｂの量子井戸層２２、２３５２，５３，６２，６３を構成するＡｌzＧａ1-zＮ（０≦Ｚ≦０．５）とＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ＜１、０≦ｘ≦０．５）は、５〜２００オングストロームの厚さに形成することが望ましい。即ち、５オングストローム未満とするとその上面と下面に形成されるバリア層２２、２４、５１，５４，６１，６４の間を電気的に良好に接続することが困難となって超格子ＤＢＲ層１２及び反射領域１２’の電気的抵抗が増大するからであり、２００オングストロームを越えると量子井戸準位を良好に形成することができなくなるためである。
（６） 低屈折率層１２ａ及び領域４１ａ、４２ａと高屈折率層１２ｂ及び領域４１ｂ、４２ｂのバリア層２１、２２，５１，５４，６１，６４を構成するＡｌwＧａ1-wＮ（ｗ＞ｚ）とＡｌtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜１）は、５〜１００オングストロームの厚さに形成することが望ましい。即ち、１００オングストロームを越えると、量子力学的なトンネル効果が生じ難くなりＤＢＲ層１２及び反射領域１２’の電気的抵抗が増大し、５オングストローム未満であるとＤＢＲ層１２及び反射領域１２’の上に形成されるＧａＮ系半導体領域の平坦化する効果が損なわれるからである。
（７） 超格子ＤＢＲ層１２の上に形成するＧａＮ系半導体領域（第１の半導体領域１３）は、超格子ＤＢＲ層１２の歪みを良好に緩和できるように５００オングストローム以上にするのが望ましい。
（８） 基板１１を単結晶シリコン以外の多結晶シリコンやＧａＡｓ、ＧａＰから構成しても良い。
（９） 半導体基体１６の各半導体領域の導電形を反対の導電形にすることもできる。
（１０） 低屈折率層１２ａ及び領域４１ａ、４２ａのバリア層２１，５１，６１，と井戸層２２，５２，６２とのいずれか一方又は両方もＩｎを含有していても良い。ただし、低屈折率層１２ａ及び領域４１ａ、４２ａの屈折率が高屈折率層１２ｂ及び領域４１ｂ，４２ｂの屈折率よりも低くなりＤＢＲ膜として良好に機能するように、低屈折率層１２ａ及び領域４１ａ、４２ａ全体におけるＩｎの含有率(混晶比)を高屈折率層１２ｂ及び領域４１ｂ，４２ｂ全体におけるＩｎの含有率(混晶比)よりも小さくする。
（１１） アノード電極１７とｐ型半導体領域１５との間にｐ+形半導体領域等を介在させることができる。
（１２） 図７に概略的に示すようにシリコンから成る基板１１にトランジスタ、ダイオード等の半導体素子３０を素子分離用Ｐ形領域３１の中に形成し、半導体発光素子を集積回路の一部とし、発光素子を含む半導体装置の小型化及びコストの低減を図ることができる。なお、図７において図１と実質的に同一の部分には同一の符号が付されている。またＥはエミッタ、Ｂはベース、Ｃはコレクタを示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の発光ダイオードを示す中央縦断面図である。
【図２】図１の発光ダイオードの斜視図である。
【図３】図１の低屈折率層を詳しく示す断面図である。
【図４】図２の高屈折率層を詳しく示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施例の発光ダイオードを示す中央縦断面図である。
【図６】図５の各部を詳しく示す断面図である。
【図７】変形例の半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１１ シリコン単結晶から成る低抵抗性基板
１２ 超格子ＤＢＲ層
１２ａ 低屈折率層
１２ｂ 高屈折率層
１３ ｎ形半導体領域
１４ 活性層
１５ ｐ形半導体領域
１６ 基体
１７ アノード電極
１８ カソード電極
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層を備えた青色系発光素子（青色発光ダイオード）は公知である。この種の発光素子は、サファイアから成る絶縁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】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の発光素子は周知のように多数の素子の作り込まれたウエハをダイシング、スクライビング、へき開等によって切り出して製作される。この時、サファイ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よく行うことが困難であった。また、サファイア等はそれ自身高価であり、材料コストの面でも不利である。
【０００４】
そこで、本願出願人は、サファイアやシリコンカーバイドから成る基板の代わりに、シリコンから成る低抵抗基板を使用した半導体発光素子を試作した。硬度がサファイアのように高くないシリコン等によって基板を構成すれば、ダイシング工程などを良好に且つ生産性よく行うことが可能であり、また一対の電極を半導体基体の上面と下面に対向して配置すれば、電流通路を半導体基体の厚み方向に形成することができ、電流通路の抵抗値を下げて消費電力及び動作電圧の低減化も期待された。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シリコン等から成る基板は、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層から放出された波長３６５〜６２０ｎｍの光に対して吸収層として機能する。このため、サファイア又はシリコンカーバイドから成る基板を用いた発光素子に比べて発光層からの光を効率よく外部に放出し難いことが分かった。即ち、サファイア又はシリコンカーバイドから成る基板を用いた発光素子によれば、基板が発光層から放出される光を吸収しないため、基板内を透過した光を基板下面で反射させることによって光を比較的良好に素子外部に取り出すことができる。一方、シリコン等から成る基板は発光層から放出された光を吸収してしまうため、発光層から下側に導出された光についての損失が大きく、発光効率（外部量子効率）を高めることが困難であった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、シリコン等から成る低抵抗性基板を用いた半導体発光素子において、外部量子効率即ち発光効率を高めた発光素子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、導電性を有する半導体基板と、前記半導体基板の一方の主面上に形成された導電性を有する反射領域と、前記反射領域の上に形成されており且つ窒化ガリウム系化合物から成る第１の導電形の第１の半導体領域と、前記第１の半導体領域の上に形成されており且つ窒化ガリウム系化合物から成り且つ前記第１の導電形と反対の第２の導電形を有している第２の半導体領域と、前記第２の半導体領域の表面上の一部に形成された第１の電極と、前記半導体基板の他方の主面に形成された第２の電極とを備え、前記反射領域は、相対的に低い屈折率を有する低屈折率領域と、前記低屈折率領域の屈折率よりも大きい屈折率を有する高屈折率領域とが交互に積層されたものから成り、前記低屈折率領域はバリア層と井戸層とが交互に積層されたものから成り、前記高屈折率領域は井戸層とバリア層とが交互に積層されたものから成り、前記高屈折率領域の井戸層はＩｎ(インジウム)を含む窒化物から成り、前記低屈折率領域のバリア層及び井戸層、及び前記高屈折率領域のバリア層はＩｎを含まないか又は前記高屈折率領域の井戸層のＩｎの含有率よりも低い含有率でＩｎを含む窒化物から成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。
【０００８】
なお、請求項２に示すように、低屈折率領域の井戸層は、ＡｌzＧａ1-zＮ(但し、ｚは０≦ｚ≦０．５を満足する数値)から成り、低屈折率領域のバリア層は、ＡｌwＧａ1-wＮ(但し、ｗはｗ＞ｚを満足する数値)から成り、高屈折率領域の井戸層は、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（但し、ｘ及びｙは０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ＜１を満足する数値）から成り、高屈折率領域のバリア層は、ＡｌtＧａ1-tＮ（但し、ｔは０≦ｔ≦１及び０≦１−ｔ≦１を満足する数値）から成ることが望ましい．
また、請求項３に示すように、第１の半導体領域と前記第２の半導体領域との間に活性層が介在していることが望ましい。
また、請求項４に示すように、前記反射領域を、反射ピークが生じる波長が互いに異なり且つ互いに積層された少なくと第１及び第２の反射領域とすることができる。
また、低屈折率領域のバリア層及び高屈折率領域のバリア層の厚みは５〜１００オングストローム、低屈折率領域の井戸層及び高屈折率領域の井戸層の厚みは５〜２００オングストロームとすることが望ましい．
【０００９】
【発明の効果】
本願各請求項の発明は次の効果を有する。
（１） 半導体基板の上に、異なる実効屈折率を有する低屈折率領域と高屈折率領域とからなる反射領域が形成されているので、発光領域から基板側に放出された光は、反射領域によって基板の上側に反射される。この結果、発光素子の発光効率を増大することができる。
（２） 反射領域にＩｎを含めたので、反射領域がバッファ層として良好に機能し、発光特性が良好に得られる。即ち、発光特性が良好に得られる第１の理由は、半導体基板の一方の主面に形成されたＩｎを含む反射領域が半導体基板の結晶方位を良好に引き継ぐことができ、この反射領域の主面に半導体領域を良好に形成することができることにある。発光特性が良好に得られる第２の理由は、半導体基板とＧａＮ系半導体領域との間にＩｎを含む井戸層とバリア層を有する高屈折率層を介在させることによって、反射領域の応力に基づく歪みが発生することを良好に防止できること、及び反射領域の上面に形成されるＧａＮ系半導体領域にクラックが生じることを防止できることにある。
（３） 消費電力及び動作抵抗を低減することができる。即ち、基板が導電性を有する半導体基板であるので、電流通路を半導体領域の厚み方向に形成することができ、サファイア等から成る絶縁性基板を使用した従来の発光ダイオードに比べて電流通路の抵抗値を下げて消費電力及び動作電圧の低減化を図ることができる。
【００１０】
【実施形態及び実施例】
次に、図１〜図７を参照して本発明の実施形態及び実施例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】
【第１の実施例】
図１及び図２に示す本発明の第１の実施例に従う青色発光ダイオードは、シリコン基板から成る低抵抗性半導体基板（以下、低抵抗性基板という）１１、反射領域としての分布ブラッグ反射膜即ち超格子ＤＢＲ（Distributed Braｇｇ Reflectors）層１２、ＧａＮ（窒化ガリウム）から成る第１の半導体領域としてのｎ形半導体領域１３、ｐ形のＩｎＧａＮ（窒化ガリウムインジウム）から成る活性層１４、及び第２の半導体領域としてのＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体領域１５を順次に積層した構成の板状基体１６と、この基体１６の一方の主面（上面）即ちｐ形半導体領域１５に電気的に接続されたアノード電極１７と、この基体１６の他方の主面（下面）即ち低抵抗性基板１１の下面に電気的に接続されたカソード電極１８とを備えている。なお、超格子ＤＢＲ層１２、ｎ形半導体領域１３、活性層１４、及びｐ形半導体領域１５は低抵抗性基板１１の上に順次にそれぞれの結晶方位を揃えて成長させたものである。
【００１２】
低抵抗性基板１１は、ｎ形導電形不純物として例えばＡｓ（砒素）が５×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１ 9ｃｍ−３程度の高濃度で導入され且つ（１１１）面を有するｎ＋形のシリコン単結晶基板から成り、その抵抗率は０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍ程度であって、実質的に導電体と呼ぶことができるものである。従って、この低抵抗性基板１１はカソード電極１８と共に発光ダイオードのカソード電極として機能する。なお、本実施例では、ｐ形半導体領域１５、活性層１４及びｎ形半導体領域１３から成る発光部の支持体として機能するように低抵抗性基板１１の厚みを約３５０μｍに設定した。
【００１３】
低抵抗性基板１１の一方の主面全体を被覆するように形成された導電性を有する反射領域としての超格子ＤＢＲ層１２は、低屈折率領域としての低屈折率層１２ａと高屈折率領域としての高屈折率層１２ｂとが交互に積層されたものである。即ち、図１では図示の都合上低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂとがそれぞれ２層のみ示されているが、実際の超格子ＤＢＲ層１２は低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂとをそれぞれ１０層有し、これ等が交互に積層され、合計で２０層に形成されている。
低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂの厚みは、活性層から放出される光の波長等によって決定される。本実施例では波長４５０ｎｍ付近に発光波長ピークを有するＧａＮ系化合物半導体発光素子が使用されているため、超格子ＤＢＲ層１２は４５０ｎｍの波長の光に対して最大反射率（反射ピーク）を有するように形成されている。ここで、低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂの厚みは、λ／４×１／ｎ（λは発光波長、ｎは屈折率）により求めることができる。従って、低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂを構成する後述の量子井戸層とバリア層の厚みを等しくした場合には、低屈折率層１２ａをＡｌとＧａＮの超格子で構成すると、その実効屈折率は２．４１となり、その層厚は約４６４オングストロームとなる。一方、高屈折率層１２ｂはＩｎＮとＧａＮの超格子で構成すると、その実効屈折率は２．８となり、その層厚は約４００オングストロームとなる。以上より、本実施例の超格子ＤＢＲ層１２の厚みは、合計で約８５００オングストロ−ムである。
【００１４】
低屈折率層１２ａは、図３に示すように複数の障壁層即ちバリア層２１と複数の量子井戸層２２とを交互に積層したものから成る。バリア層２１は、ＡｌwＧａ1-wＮ（但し、ｗはｚ＜ｗ≦１を満足する数値、ｚは０≦ｚ≦０．５を満足する数値）においてｗ＝１にしたものに相当するＡｌＮから成る絶縁性の極薄の膜であり、量子井戸層２２はＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ≦０．５）においてｚ＝０にしたもものに相当するＧａＮから成るｎ形半導体領域の極薄の膜である。量子井戸層２２の厚みは、量子井戸準位ができるように５〜２００オングストロームとするのが望ましく、本実施例では５８オングストロームとされている。また、バリア層２１の厚みは量子力学的なトンネル効果を得ることができるように１００オングストローム以下とするのが望ましく、本実施例では量子井戸層と同じ厚みの５８オングストロームとされている。ＡｌＮから成るバリア層２１とＧａＮから成る量子井戸層２２をそれぞれ４層有し、合計で８層に形成された低屈折率層１２ａの厚みは４６４オングストロームである。なお、井戸層２２は、基板１１と同一の導電形にすることが望ましく、ｎ形不純物としてＳｉがド−ピングされている。もし、基板１１がｐ形の場合には井戸層２２にｐ形不純物としてＭｇをド−ピングする。
【００１５】
高屈折率層１２ｂは、図４に示すように複数の量子井戸層２３と複数のバリア層２４とを交互に積層したものから成る。量子井戸層２３はＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ＜１、０≦ｘ≦０．５）において、ｘ＝ｙ＝０にしたものに相当するＩｎＮから成る極薄のｎ形半導体領域から成る。バリア層２４は、ＡｌtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜１）において、ｔ＝０に相当するＧａＮから成る絶縁性の極薄の膜である。量子井戸層２３は、量子井戸準位が形成できるように５〜２００オングストロームにすることが望ましく、本実施例では５０オングストロームとされている。また、バリア層２４の厚みは量子力学的なトンネル効果が得られるように、５〜１００オングストロームの範囲にすることが望ましく、本実施例では量子井戸層と同じ５０オングストロームとされている。ＩｎＮから成る量子井戸層２３とＧａＮから成るバリア層２４をそれぞれ４層有し、合計で８層に形成された高屈折率層１２ｂの厚みは４００オングストロームである。なお、井戸層２３は、基板１１と同一の導電形にすることが望ましく、ｎ形不純物としてＳｉがド−ピングされている。もし、基板１１がｐ形の場合には井戸層２３にｐ形不純物としてＭｇをド−ピングする。
【００１６】
低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂは周知のＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長方法）によってそれぞれＡｌＮ層及びＧａＮ層と、ＩｎＮ層及びＧａＮ層を順次連続して積層形成したものである。即ち、シリコン単結晶の低抵抗性基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置し、まず１１２０℃で１０分間のサーマルクリーニングを施して表面の酸化膜を除去する。
【００１７】
次に、反応室内に６６ｃｃ（６３μmol ／分）のＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスと３リットル（０．１４mol ／分）のＮＨ3 （アンモニア）ガスを約３１秒間かけて供給して、厚さ約５８オングストロームのＡｌＮから成るバリア層２１を形成する。次に、ＴＭＡガスの供給をストップして、反応室内に２０ｃｃ（６３μmol ／分）のＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスと２００ｃｃ（２１ｎmol ／分）のシラン（ＳｉＨ4 ）を約１７秒間かけて供給して厚さ約５８オングストロームのＧａＮから成る量子井戸層２３を形成する。ここで、シランガスは形成膜中にｎ形不純物としてのＳｉを導入するためのものである。これを４回繰り返して、層厚の合計が４６４オングストロームの低屈折率層１２ａを得る。
【００１８】
続いて、低屈折率層１２ａを有する基板１１の温度を７００℃まで下げた後、反応室内に１５０ｃｃ（５９μmol ／分）のＴＭＩ（トリメチルインジウム）ガスと５リットル（０．２３mol ／分）のＮＨ3 （アンモニア）ガスと２００ｃｃ（２１ｎmol ／分）のシラン（ＳｉＨ4 ）を約１９５秒間かけて供給して、厚さ約５０オングストロームのＩｎＮから成る量子井戸層２３を低屈折率層１２ａの上に形成する。次に、ＴＭＩガスの供給をストップして、反応室内に２．１ｃｃ（６．２μmol ／分）のＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスと５リットル（０．２３mol ／分）のＮＨ3 （アンモニア）ガスを約１５５秒間かけて供給して厚さ約５０オングストロームのＧａＮから成るバリア層２４を形成する。これを４回繰り返して、層厚の合計が４００オングストロームの高屈折率層１２ｂを得る。
【００１９】
低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂとの形成を同一の方法で交互に１０回繰り返して合計２０層の超格子ＤＢＲ層１２を得る。
【００２０】
超格子ＤＢＲ層１２の上面に設けられたｎ形半導体領域１３、活性層１４及びｐ形半導体領域１５は周知のＭＯＣＶＤ法によって順次連続して形成したものである。即ち、上面に超格子ＤＢＲ層１２が形成された低抵抗性基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置して、反応室内にまずトリメチルガリウムガス即ちＴＭＧガス、ＮＨ3 （アンモニア）ガス、ＳｉＨ4 （シラン）ガスを供給してバッファ層１２の上面にｎ形半導体領域１３を形成する。ここで、シランガスは形成膜中にｎ形不純物としてのＳｉを導入するためのものである。本実施例では超格子ＤＢＲ層１２が形成された低抵抗性基板１１の加熱温度を１０４０℃とした後、ＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量を約４．３μmol ／分、ＮＨ3 ガスの流量即ちＮＨ3 の供給量を約５３．６ｍmol ／分、シランガスの流量即ちＳｉの供給量を約１．５ｎmol ／分とした。また、本実施例では、ｎ形半導体領域１３の厚みを約２μｍとした。また、ｎ形半導体領域１３の不純物濃度は約３×１０１８ｃｍ−３であり、低抵抗性基板１１の不純物濃度よりは十分に低い。なお、本実施例によればバッファ層として機能する超格子ＤＢＲ層１２が介在することにより、比較的高温でｎ形半導体層１３を超格子ＤＢＲ層１２の上面に直接に形成することが可能になる。
【００２１】
続いて、低抵抗性基板１１の加熱温度を８００℃とし、反応室内にＴＭＧガス、アンモニアガスに加えてトリメチルインジウムガス（以下、ＴＭＩガスという）とビスシクロペンタジェニルマグネシウムガス（以下、Ｃｐ2 Ｍｇガスという）を供給してｎ形半導体領域１３の上面にｐ形ＩｎＧａＮから成る活性層１４を形成する。ここで、Ｃｐ2 Ｍｇガスは形成膜中にｐ形導電形の不純物としてのＭｇを導入するためのものである。本実施例では、ＴＭＧガスの流量を約１．１μmol ／分、ＮＨ3 ガスの流量を約６７ｍmol ／分、ＴＭＩガスの流量即ちＩｎの供給量を約４５μmol ／分、Ｇｐ2 Ｍｇガスの流量即ちＭｇの供給量を約１２ｎmol ／分とした。また、活性層１４の厚みは約２０オングストローム、活性層１４の不純物濃度は約３×１０１７ｃｍ−３である。
【００２２】
続いて、低抵抗性基板１１の加熱温度を１０４０℃とし、反応室内にＴＭＧガス、アンモニアガス及びＣＰ2 Ｍｇガスを供給して活性層１４の上面にｐ形ＧａＮから成るｐ形半導体領域１５を形成する。本実施例では、この時のＴＭＧガスの流量を約４．３μmol ／分、アンモニアガスの流量を約５３．６μmol ／分、Ｃｐ2 Ｍｇガスの流量を約０．１２μmol ／分とした。また、ｐ形半導体領域１５の厚みは約０．５μｍ、ｐ形半導体領域１５の不純物濃度は約３×１０１８ｃｍ−３である。
【００２３】
上記のＭＯＣＶＤ成長方法によれば、バッファ層としての機能及び光反射層としての機能を有する超格子ＤＢＲ層１２の上面に、この超格子ＤＢＲ層１２の結晶方位に揃えてｎ形半導体領域１３、活性層１４及びｐ形半導体領域１５を形成することができる。即ち、単結晶シリコン基板から成る低抵抗性基板１１の結晶方位を良好に引き継いでいる超格子ＤＢＲ層１２の上にこれを核としてｎ形半導体領域１３、活性層１４及びｐ形半導体領域１５が順次に良好にエピタキシャル成長される。
【００２４】
第１の電極としてのアノード電極１７は、例えばニッケルと金を周知の真空蒸着法等によって半導体基体１６の上面に付着させることによって形成し、ｐ形半導体領域１５の表面に低抵抗接触させる。このアノード電極１７は図２に示すように円形の平面形状を有しており、半導体基体１６の上面のほぼ中央に配置されている。半導体基体１６の上面のうち、アノード電極１７の形成されていない領域１９は、光取り出し領域として機能する。
【００２５】
第２の電極としてのカソード電極１８は、半導体基体１６の上面に形成せずに、例えばチタンとアルミニウムを周知の真空蒸着法等によって基板１１の下面に形成し、低抵抗性基板１１の下面全体に低抵抗接触させる。
【００２６】
図１の青色発光ダイオードを外部装置に取付ける時には、例えばカソード電極１８を回路基板等の外部電極に対して半田又は導電性接着剤で固着し、アノード電極１７を周知のワイヤボンディング方法によって外部電極に対してワイヤで電気的に接続する。
【００２７】
本実施例の青色発光ダイオードによれば、次の効果が得られる。
（１） サファイアやシリコンカーバイドに比べて著しく低コストであり加工性も良いシリコンから成る基板１１を使用することができるので、材料コスト及び生産コストの削減が可能である。このため、従来では他の発光素子に比べて高価であったＧａＮ系発光ダイオードのコスト削減が可能となる。
（２） シリコンから成る基板１１に発光素子が形成できるため、基板１１内に他の電子素子を形成することができ、ＧａＮ系半導体発光素子がその他の半導体素子と同一の半導体基板内に集積された半導体集積回路を容易に実現できる。
（３） 光吸収性を有するシリコンから成る低抵抗性基板１１の上に、異なる実効屈折率を有する超格子層（ＡｌＮ／ＧａＮ）から成る低屈折率層１２ａと超格子層（ＩｎＮ／ＧａＮ）から成る高屈折率層１２ｂとを一組とする分布ブラッグ反射膜（超格子ＤＢＲ膜）の複数から成る超格子ＤＢＲ層１２が形成されている。従って、発光層即ち活性層１４から基体１６の下面側に放出された光は、超格子ＤＢＲ層１２によって基体１６の上面側に反射される。この結果、発光素子の外部量子効率即ち発光効率を増大することができる。
（４） 超格子ＤＢＲ層１２がバッファ層として良好に機能するため、発光特性が良好に得られる。即ち、発光特性が良好に得られる第１の理由は、低抵抗性基板１１の一方の主面に形成されたＡｌＮ層２１及びＧａＮ層２２から成る低屈折率層１２ａとＩｎＮ層２３及びＧａＮ層２４から成る高屈折率層１２ｂから構成される超格子ＤＢＲ層１２が、シリコンから成る低抵抗性基板１１の結晶方位を良好に引き継ぐことができ、このＤＢＲ層１２を核としてその一方の主面にｎ形半導体領域１３、活性層１４及びｐ形半導体領域１５を順次、結晶性を良好にして積層形成することができることにある。
発光特性が良好に得られる第２の理由は、低抵抗性基板１１とＧａＮ系半導体領域との間にＩｎＮ層２１及びＧａＮ層２４が複数積層されて成る高屈折率層１２ｂを介在させることによって、超格子ＤＢＲ層１２の応力に基づく歪みが発生することを良好に防止できること、及び超格子ＤＢＲ層１２の上面に形成されるＧａＮ系半導体領域にクラックが生じることを防止できることにある。即ち、低抵抗性基板１１とＧａＮ系半導体領域との間に例えばＡｌxＧａ1-xＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１を満足する数値）層及びＧａＮ層が複数積層されて成るバッファ層を介在させた場合には、このバッファ層の歪みを緩和するためにその上に形成されるＧａＮ系半導体領域にクラックが生じ易い。これに対し、本発明に従って低抵抗性基板１１とＧａＮ系半導体領域との間にＡｌxＧａ1-x層及びＩｎyＧａ1-yＮ層を含む超格子ＤＢＲ層１２を介在させた場合には、ＧａＮ系半導体領域にクラックをほとんど生じさせることなく、超格子ＤＢＲ層１２の応力緩和、歪み緩和が可能である。この理由は必ずしも明らかではないが、ＩｎyＧａ1-yＮのある結晶面がスリップ等により超格子ＤＢＲ層１２に内在した歪みを開放、緩和しているためと考えられる。
【００２８】
【第２の実施例】
次に、図５及び図６を参照して第２の実施例の窒化カリウム系化合物青色発光ダイオードを証明する。但し、図５及び図６において、図１〜図４と実質的に同一の部分には同一の符号を付けてその証明を省略する。
【００２９】
図５の発光ダイオードは、図１の反射領域としてのＤＢＲ層１２を変形した反射領域としてのＤＢＲ層１２’を設けた他は図１と同一に構成したものである。図５で概略的に示されている反射領域としてのＤＢＲ層１２’は、反射ピークが互いに異なる第１及び第２の反射領域４１,４２を有する。
第１及び第２の反射領域４１,４２は基板１１とｎ形半導体領域１３との間に互いに積層状態に配置されている。
【００３０】
第１の反射領域４１は、第１の波長として４５０nmに反射ピークを有するものであって、１０個の低屈折率領域４１aと１０個の高屈折率領域４１ｂとを交互に積層状態に配置したものから成る。
第２の反射領域４２は第２の波長として４７０nmに波長ピークを有するものであって、１０個の低屈折率領域４２aと１０個の高屈折率領域４２bとを交互に積層状態に配置したものから成る。
【００３１】
第１の反射領域４１の低屈折率領域４１ａは,図６(Ｂ)に示すように５８オングスロームの厚さを有するＡＩから４個のバリア層５１と、５８オングストロームの厚さを有するＧａＮから成る４個の井戸層５２とを交互に積層状態に配置したものから成り、第１の実施例における図３の低屈折率層１２ａと同一に構成されている。第１の反射領域４１の高屈折率領域４１ｂは、図６（Ａ）に示すように５０オングストロームの厚さを有するＩｎＮから成る４個の井戸層５３と、５０オングストロームの厚さを有するＧａＮから成る４個のバリア層５４とを交互に積層状態に配置したものから成り、図４の高屈折率層１２ｂと同一に構成されている。
第１の反射領域４１の１つの低屈折率領域４１ａの厚みは４６４オングストロームであり、１つの高屈折率領域４１ｂの厚みは４００オングストロームである。
【００３２】
第２の反射領域４２の低屈折率領域４２ａは、図６(Ｄ)に示すように６１オングストロームの厚さを有するＡＩＮから４個のバリア層６１と、６１オングストロームの厚さを有するＧａＮから成る４個の井戸層６２とを交互に積層状態に配置したものから成る。第２の反射領域４２の高屈折率領域４２ｂは、図６（Ｃ）に示すように５２オングストロームの厚さを有するＩｎＮから成る４個の井戸層６３と、５２オングストロームの厚さを有するＧａＮから成る４個のバリア層６４とを交互に積層状態に配置したものから成る。
第２の反射領域４２の１つの低屈折率領域４２ａの厚みは４８８オングストロームであり、１つの高屈折率領域４２ｂの厚みは、４１６オングストロームである。
【００３３】
図６の低屈折率層４１ａ，４２ａのバリア層５１，６１は第１の実施例のこれと同様にＡＩwＧａ1-wＮ(但し、ｗはｗ＞ｚを満足する数値)で形成することができ、またこの井戸層５２,６２は、第１の実施例のこれと同様にＡＩzＧａ1-zＮ(但し、ｚは０≦ｚ≦０．５を満足する数値)で形成することができる。また、図６の高屈折率層４１ｂ,４２ｂの井戸層５３,６３は第１の実施例のこれと同様にＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ(但し、ｘ,ｙは０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１を満足する数値)で形成することができ,バリア層５４,６４は第１の実施例のこれと同様にＡｌtＧａ1-tＮ(但し,ｔは０≦ｔ≦１及び０≦１−ｔ≦１を満足する数値)で形成することができる。
【００３４】
第２の実施例のように反射ピークが接近している第１及び第２の反射領域４１,４２を設けると、外部に取り出す光の発光波長に広がりを持たせることができる。なお、第２の実施例の第１及び第２の反射領域４１,４２は第１の実施例の反射領域１２と同一物質で形成されているので、第１の実施例と同一の作用効果も得ることができる。
【００３５】
【変形例】
本発明は上述の実施例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） 第１の実施例では低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂとがそれぞれ１０層づつ合計２０層形成されてなる超格子ＤＢＲ層１２を示したが、低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂとをそれ以上のペアー、又はそれ以下のペアーで交互に積層しても良い。但し、良好な反射機能と平坦性の良い窒化ガリウム系化合物半導体を形成するためのバッファ機能を良好に得るために３ペアー以上、望ましくは５ペアー以上設けることが良い。また多数に積層してもＤＢＲ層の反射効率が飽和するので、生産性などの観点から１５０ペアー以下とすることが望ましい。
（２） 実施例では、低屈折率層１２ａ及び低屈折率４１ａ、４２ａのバリア層２１、５１，６１はＡｌwＧａ1-wＮ（ｚ＜ｗ≦１）においてｗ＝１にしたものに相当するＡｌＮ層であるが、ｗはｚ＜ｗ≦１を満足する任意の値に設定できる。なお、ｗ＜ｚを満足するように設定する理由はＡｌzＧａ1-zＮを井戸層として機能させる為に、ＡｌzＧａ1-zＮのエネルギーレベルをＡｌwＧａ1-wＮのエネルギーレベルよりも低く設定する必要があるからである。また、実施例では、低屈折率層１２ａ及び低屈折率領域４１ａ、４２ａの量子井戸層２２、５２，６２をＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ≦０．５）のｚ＝０としたものに相当するＧａＮ層としたが、ｚは０≦Ｚ≦０．５を満足する任意の値に設定できる。なお、０≦ｚ≦０．５を満足するように設定する理由は、Ａｌの混晶率をあまり高めると導電性が低下して素子の動作電圧が増加するからである。
（３） 実施例では、高屈折率層１２ｂ及び高屈折率領域４１ｂ、４２ｂのバッファ層２４、５４，６４をＡｌtＧａ1-tＮ（０≦ｔ≦１）のｔ＝０に相当するＧａＮ層としたが、ｔは上記条件を満足する任意の値に設定できる。また、実施例では、高屈折率層１２ｂ及び高屈折率領域４１ｂ、４２ｂの量子井戸層２３、５３，６３をＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ＜１、０≦ｘ≦０．５）においてｘ＝ｙ＝０としたものに相当するＩｎＮによって形成したが、ｘ、ｙは０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ＜１、０≦Ｘ≦０．５を満足する任意の値に設定できる。なお、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮを井戸層として機能させる為に、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮのエネルギーレベルをＡｌtＧａ1-tＮのエネルギーレベルよりも低く設定する必要がある
（４） 高屈折率層１２ｂ及び高屈折率領域４１ｂ、４２ｂのバリア層２４，５４，６４もＩｎを含有していても良い。ただし、それぞれが井戸層またはバリア層として良好に機能するように、井戸層２３，５３，６３におけるＩｎの含有率（混晶比）をバリア層２４，５４，６４におけるＩｎの含有率（混晶比）よりも大きくする。
（５） 低屈折率層１２ａ及び低屈折率領域４１ａ，４２ａと高屈折率層１２ｂ及び高屈折率領域４１ｂ、４２ｂの量子井戸層２２、２３５２，５３，６２，６３を構成するＡｌzＧａ1-zＮ（０≦Ｚ≦０．５）とＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ＜１、０≦ｘ≦０．５）は、５〜２００オングストロームの厚さに形成することが望ましい。即ち、５オングストローム未満とするとその上面と下面に形成されるバリア層２２、２４、５１，５４，６１，６４の間を電気的に良好に接続することが困難となって超格子ＤＢＲ層１２及び反射領域１２’の電気的抵抗が増大するからであり、２００オングストロームを越えると量子井戸準位を良好に形成することができなくなるためである。
（６） 低屈折率層１２ａ及び領域４１ａ、４２ａと高屈折率層１２ｂ及び領域４１ｂ、４２ｂのバリア層２１、２２，５１，５４，６１，６４を構成するＡｌwＧａ1-wＮ（ｗ＞ｚ）とＡｌtＧａ1-tＮ（０≦ｔ＜１）は、５〜１００オングストロームの厚さに形成することが望ましい。即ち、１００オングストロームを越えると、量子力学的なトンネル効果が生じ難くなりＤＢＲ層１２及び反射領域１２’の電気的抵抗が増大し、５オングストローム未満であるとＤＢＲ層１２及び反射領域１２’の上に形成されるＧａＮ系半導体領域の平坦化する効果が損なわれるからである。
（７） 超格子ＤＢＲ層１２の上に形成するＧａＮ系半導体領域（第１の半導体領域１３）は、超格子ＤＢＲ層１２の歪みを良好に緩和できるように５００オングストローム以上にするのが望ましい。
（８） 基板１１を単結晶シリコン以外の多結晶シリコンやＧａＡｓ、ＧａＰから構成しても良い。
（９） 半導体基体１６の各半導体領域の導電形を反対の導電形にすることもできる。
（１０） 低屈折率層１２ａ及び領域４１ａ、４２ａのバリア層２１，５１，６１，と井戸層２２，５２，６２とのいずれか一方又は両方もＩｎを含有していても良い。ただし、低屈折率層１２ａ及び領域４１ａ、４２ａの屈折率が高屈折率層１２ｂ及び領域４１ｂ，４２ｂの屈折率よりも低くなりＤＢＲ膜として良好に機能するように、低屈折率層１２ａ及び領域４１ａ、４２ａ全体におけるＩｎの含有率(混晶比)を高屈折率層１２ｂ及び領域４１ｂ，４２ｂ全体におけるＩｎの含有率(混晶比)よりも小さくする。
（１１） アノード電極１７とｐ型半導体領域１５との間にｐ+形半導体領域等を介在させることができる。
（１２） 図７に概略的に示すようにシリコンから成る基板１１にトランジスタ、ダイオード等の半導体素子３０を素子分離用Ｐ形領域３１の中に形成し、半導体発光素子を集積回路の一部とし、発光素子を含む半導体装置の小型化及びコストの低減を図ることができる。なお、図７において図１と実質的に同一の部分には同一の符号が付されている。またＥはエミッタ、Ｂはベース、Ｃはコレクタを示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の発光ダイオードを示す中央縦断面図である。
【図２】図１の発光ダイオードの斜視図である。
【図３】図１の低屈折率層を詳しく示す断面図である。
【図４】図２の高屈折率層を詳しく示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施例の発光ダイオードを示す中央縦断面図である。
【図６】図５の各部を詳しく示す断面図である。
【図７】変形例の半導体装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１１ シリコン単結晶から成る低抵抗性基板
１２ 超格子ＤＢＲ層
１２ａ 低屈折率層
１２ｂ 高屈折率層
１３ ｎ形半導体領域
１４ 活性層
１５ ｐ形半導体領域
１６ 基体
１７ アノード電極
１８ カソード電極
Claims (4)
- 導電性を有する半導体基板と、
前記半導体基板の一方の主面上に形成された導電性を有する反射領域と、
前記反射領域の上に形成されており且つ窒化ガリウム系化合物から成る第１の導電形の第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域の上に形成されており且つ窒化ガリウム系化合物から成り且つ前記第１の導電形と反対の第２の導電形を有している第２の半導体領域と、
前記第２の半導体領域の表面上の一部に形成された第１の電極と、
前記半導体基板の他方の主面に形成された第２の電極とを備え、
前記反射領域は、相対的に低い屈折率を有する低屈折率領域と、前記低屈折率領域の屈折率よりも大きい屈折率を有する高屈折率領域とが交互に積層されたものから成り、
前記低屈折率領域はバリア層と井戸層とが交互に積層されたものから成り、
前記高屈折率領域は井戸層とバリア層とが交互に積層されたものから成り、
前記高屈折率領域の井戸層はＩｎ(インジウム)を含む窒化物から成り、
前記低屈折率領域のバリア層及び井戸層、及び前記高屈折率領域のバリア層はＩｎを含まないか又は前記高屈折率領域の井戸層のＩｎの含有率よりも低い含有率でＩｎを含む窒化物から成ることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記低屈折率領域の井戸層は、ＡｌzＧａ1-zＮ(但し、ｚは０≦ｚ≦０．５を満足する数値)から成り、
前記低屈折率領域のバリア層は、ＡｌwＧａ1-wＮ(但し、ｗはｗ＞ｚを満足する数値)から成り、
前記高屈折率領域の井戸層は、ＡｌxＧａyＩｎ1-x-yＮ（但し、ｘ及びｙは０≦ｘ≦０．５、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ＜１を満足する数値）から成り、
前記高屈折率領域のバリア層は、ＡｌtＧａ1-tＮ（但し、ｔは０≦ｔ≦１及び０≦１−ｔ≦１を満足する数値）から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。 - 前記第１の半導体領域と前記第２の半導体領域との間に活性層が介在していることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体発光素子。
- 導電性を有する半導体基板と、
前記半導体基板の一方の主面上に形成された導電性を有する反射領域と、
前記反射領域の上に形成されており且つ窒化ガリウム系化合物から成る第１の導電形の第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域の上に形成されており且つ窒化ガリウム系化合物から成り且つ前記第１の導電形と反対の第２の導電形を有している第２の半導体領域と、
前記第２の半導体領域の表面上の一部に形成された第１の電極と、
前記半導体基板の他方の主面に形成された第２の電極とを備え、
前記反射領域は、反射ピークが生じる波長が互いに異なり且つ互いに積層された少なくとも第１及び第２の反射領域を有し、
前記第１及び第２の反射領域のそれぞれは、相対的に低い屈折率を有する低屈折率領域と、前記低屈折率領域の屈折率よりも大きい屈折率を有する高屈折率領域とが交互に積層されたものから成り、
前記低屈折率領域はバリア層と井戸層とが交互に積層されたものから成り、
前記高屈折率領域は井戸層とバリア層とが交互に積層されたものから成り、
前記高屈折率領域の井戸層はＩｎ(インジウム)を含む窒化物から成り、
前記低屈折率領域のバリア層及び井戸層、及び前記高屈折率領域のバリア層はＩｎを含まないか又は前記高屈折率領域の井戸層のＩｎの含有率よりも低い含有率でＩｎを含む窒化物から成ることを特徴とする半導体発光素子。
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