JP3987956B2

JP3987956B2 - 半導体発光素子

Info

Publication number: JP3987956B2
Application number: JP10006598A
Authority: JP
Inventors: 俊郎福家; 康二大塚
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 1998-03-27
Filing date: 1998-03-27
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2018-03-27
Also published as: JPH11284226A

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を用いた青色発光素子（青色発光ダイオード）は公知である。この種の発光素子は、一般に窒化ガリウム系化合物半導体がサファイアから成る絶縁性基板上に形成されており、一対の電極が素子の上面に配置された構造を有する。
即ち、従来の発光素子は図１に示すように、サファイアから成る絶縁性基板１、この絶縁性基板１の一方の主面（上面）に周知のエピタキシャル成長法によって形成された窒化ガリウム系化合物半導体（例えばＧａＮ）から成るｎ形半導体領域２、このｎ形半導体領域２の上にエピタキシャル成長法によって形成された窒化ガリウム系化合物半導体（例えばＩｎＧａＮ）から成る活性層３、及びこの活性層３の上にエピタキシャル成長法によって形成されたＰ形半導体領域４を備えた半導体基体５と、この半導体基体５の一方の主面（上面）においてｎ形半導体領域２に接続されたカソード電極６と、ｐ形半導体領域４に電気的に接続されたアノード電極７とから成る。図１の発光素子は絶縁性基板１の他方の主面（下面）が回路基板やリードフレームに固着され、活性層３にて生じた光は半導体基体５の一方の主面側に導かれ、この一方の主面のうち電極６、７の形成されていない領域から外部に放出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図１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、サファイアから成る絶縁性基板１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が困難であった。また、サファイアは高価であるため、材料コストの面においても問題があった。また、サファイアから成る基板１は絶縁体であるため、上記のように半導体基体５の一方の主面に一対の電極６、７を形成しなければならず、半導体基体５の面積（チップ面積）が比較的大きくなり、その分コストが高くなった。また、図１の発光素子では、ｎ形半導体領域２の水平方向に電流を流すことになるが、このｎ形半導体領域２は厚さが４〜５μｍ程度の肉薄層であるため水平方向における電流通路の抵抗はかなり大きなものとなり、図１の発光素子では、消費電力及び動作電圧が比較的大きくなった。更に、このｎ形半導体領域２の電流通路となる肉薄部分はこの上面に形成された活性層３及びｐ形半導体領域４をエッチングによって削り取って形成されるため、エッチングの精度を考慮してｎ形半導体領域２は予め若干肉厚に形成しておく必要があり、ｎ形半導体領域２のエピタキシャル成長の時間が長くなり、生産性、コスト面で不利である。
また、図１の発光素子において、絶縁性基板１の代りにシリコンカーバイド（ＳｉＣ）から成る導電性基板を用いた発光素子が知られている。この発光素子によれば電流を半導体基体５の縦方向に流すことができるため、電極６を基体５の下面に形成でき、またｎ形半導体領域２を上面に露出するために基体５の一部を除去する必要もない。このため、図１の発光素子に比べると、チップ面積の縮小が図られること、へき開によりウエハの分離が簡単化する等の利点はあるが、ＳｉＣはサファイアよりも一段と高価であるため低コスト化は更に困難である。また、ＳｉＣ基板とその上のｎ形半導体領域との低抵抗接触を良好に形成できず、消費電力及び動作電圧は図１の発光素子と同様に比較的高い。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、生産性、コスト、性能の向上を図ることができる半導体発光素子を提供することにある。
【０００５】
【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、
導電性を有するシリコン基板と、
前記シリコン基板の一方の主面上に形成されたＴｉから成る第１の金属層と、
前記第１の金属層の上に形成されたＰｔ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕから選択された少なくとも１種から成る第２の金属層と、
前記第２の金属層の上に形成されており且つ窒化ガリウム又は窒素とガリウムを含む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又は窒素とガリウムを含む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の一部に形成された第１の電極と、
前記シリコン基板の他方の主面に形成された第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２に示すように第２の半導体領域と第１の半導体領域との間に活性層を含むことが望ましい。
また、請求項３に示すように金属層をスパッタリング法で形成し、第１及び第２の半導体領域をＭＯＣＶＤ法で形成することが望ましい。
【０００６】
【発明の効果】
各請求項の発明によれば、次の効果を得ることができる。
（イ）発光部を構成する第１及び第２の半導体領域が、シリコン基板と第１及び第２の金属層とによって支持されているので、第２の半導体領域と第２の電極との間を低抵抗化することができ、消費電力の低減及び動作電圧の低減が可能になる。
（ロ）第１及び第２の半導体領域においてシリコン基板の方向に放射された光は、第２の金属層によって第２の半導体領域の表面側に向うように反射されるので、光取り出しを良好に行うことができる。
（ハ）Ｔｉから成る第１の金属層を、第２の金属層とシリコン基板との間に介在させることによって、第２の金属層をシリコン基板に直接に接触させる場合よりも第２の金属層のシリコン基板に対する密着性が向上する。
（ニ）Ｐｔ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕから選択された少なくとも１種から成る第２の金属層は、高温下で安定であり、且つ第１及び第２の半導体領域の結晶方位をシリコン基板の結晶方位に配向させて形成することを容易にし、且つシリコン基板と第１及び第２の半導体領域との間の緩衝材として機能し、シリコン基板と第１及び第２の半導体領域との間の熱膨張係数差に起因して第１及び第２の半導体領域にクラックが発生することを防止する。
また、請求項２の発明によれば、活性層によって発光効率を高めることができる。
また、請求項３の発明によれば、第１及び第２の金属層、第１及び第２の半導体領域の結晶性が良好になる。
【０００７】
【実施形態及び実施例】
次に、図２及び図３を参照して本発明の実施形態及び実施例に係る半導体発光素子としての窒化ガリウム系化合物半導体青色発光ダイオードを説明する。
図２及び図３に示す本発明の実施例に従う青色発光ダイオードは、シリコン半導体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、Ｔｉ（チタン）から成る第１の金属層１２、Ｐｔ（白金）から成る第２の金属層１３、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１４、ｐ形のＩｎＧａＮ（窒化ガリウムインジウム）から成る活性層１５、及び第２の半導体領域のとしてのＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体領域１６を順次に積層した構成の板状基体１７と、この基体１７の一方の主面（上面）即ちｐ形半導体領域１６に電気的に接続されたアノード電極１８と、基体１７の他方の主面（下面）即ち低抵抗性基板１１に電気的に接続されたカソード電極１９とを備えている。なお、第１及び第２の金属層１２、１３、ｎ形半導体領域１４、活性層１５、及びｐ形半導体領域１６は低抵抗性基板１１の上に順次にそれぞれの結晶方位を配向させて成長させたものである。
【０００８】
低抵抗性基板１１は、ｎ形導電形不純物として例えばＡｓ（ヒ素）が５×１０¹⁸ｃｍ^-3〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3程度の高濃度で導入された（１１１）面のｎ⁺形のシリコン単結晶基板から成り、その抵抗率は０．００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍ程度であって、実質的に導電体と呼ぶこともできるものである。従って、この低抵抗性基板１１と後述する第１及び第２の金属層１２、１３とカソード電極１９とを合せて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１４、活性層１５及びｐ形半導体領域１６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。
【０００９】
低抵抗性基板１１の一方の主面全体を被覆するように設けられた第１の金属層１２と第２の金属層１３はそれぞれ周知のスパッタリング法を用いて順次Ｔｉ（チタン）とＰｔ（白金）を堆積付着して形成した金属薄膜であり、第１の金属層１２は低抵抗性基板１１の一方の主面に対して低抵抗接触している。ここで一般にＴｉやＰｔから成る金属薄膜はスパッタリング法以外の方法例えば電子ビームを用いた真空蒸着法等によっても形成することができる。しかし、スパッタリング法以外のこれらの形成法では、第１及び第２の金属層１２、１３を低抵抗性基板１１の上面にその結晶の配向性を揃えて形成することが困難であるため、スパッタリングに比べて好ましくない。即ち、スパッタリング法によれば、単結晶シリコンから成る低抵抗性基板１１の上面にこの単結晶シリコンの結晶方位に対して第１及び第２の金属層１２、１３の結晶方位を揃える形で第１及び第２の金属層１１、１２を成長させることが可能である。このように、第１及び第２の金属層１２、１３の結晶の配向性を揃えることは、この上面に形成するｎ形半導体領域１４等も同様に結晶方位を揃えて成長させる上で極めて重要である。一方、スパッタリング法以外の方法では、第１及び第２の金属層１２、１３をこのように低抵抗性基板１１の上面に結晶方位を揃えて形成することが困難であり、本実施例の青色発光ダイオードを製作するにあたってはあまり好ましくない。なお、周知のラビング法を用いれば即ち低抵抗性基板１１の上面を一定方向にこすってからこの上面に金属層１２、１３を成長させる方法によれば、第１及び第２の金属層１２、１３を電子ビームを用いた真空蒸着法等で形成しても比較的その配向性を揃えることができる。しかしながら、この場合、第１及び第２の金属層１２、１３を下側の単結晶シリコンの結晶方位を良好に引きついで形成できないためその上方に良質な結晶の半導体領域を成長させることが困難である。また、ラビング工程が増加する等の理由からスパッタリング法に比べると利点は少ない。なお、本実施例では、第１の金属層１２の厚みを２５〜５００オングストローム、第２の金属層１３の厚みを５００〜２０００オングストロームに設定した。
【００１０】
第２の金属層１３の上面に設けられたｎ形半導体１４、活性層１５及びｐ形半導体領域１６は周知のＭＯＣＶＤ法（有機金属化学気相成長方法）によって順次連続的に形成されたものである。即ち、上面に第１及び第２の金属層１２、１３の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（以下、ＴＭＧガスという）、ＮＨ3 （アンモニア）ガス、ＳｉＨ4 （シラン）ガスを供給して第２の金属層１３の上面にｎ形半導体領域１４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。本実施例では金属層１２、１３の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１４の厚みを約２μｍとした。図１の従来の発光ダイオードのｎ形半導体領域２の厚みは約４．０〜５．０μｍであるから、これに比べて図２の本実施例のｎ形半導体領域１４はかなり肉薄に形成されている。また、ｎ形半導体領域１４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。尚、本実施例によれば金属層１３の触媒効果により、比較的低温で成長させる緩衝層を介さずに比較的高温でこのｎ形半導体層１４を金属層１３の上面に直接に形成することが可能になる。
【００１１】
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、Ｃｐ₂Ｍｇガスという）を供給してｎ形半導体領域１４の上面にｐ形ＩｎＧａＮから成る活性層１５を形成する。ここで、Ｃｐ₂Ｍｇ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４．５μmol ／分、Ｇｐ₂Ｍｇガスの流量即ちＭｇの供給量を約１２ｎmol ／分とした。また、活性層１５の厚みは図１の発光ダイオードの活性層３の厚みと同様に約２０オングストロ−ムとした。なお、活性層１５の不純物濃度は約３×１０¹⁷ｃｍ^-3である。
【００１２】
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Ｃｐ₂Ｍｇガスを供給して活性層１５の上面にｐ形ＧａＮから成るｐ形半導体領域１６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、Ｃｐ₂Ｍｇガスの流量を約０．１２μmol ／分とした。また、ｐ形半導体領域１６の厚みは図１の発光ダイオードのｐ形半導体領域４の厚みと同様に約０．５μｍとした。なお、ｐ形半導体領域１６の不純物濃度は約３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。
【００１３】
上記のＭＯＣＶＤ成長方法によれば、第１及び第２の金属層１２、１３の上面にこの金属層の結晶方位に対してｎ形半導体領域１４、活性層１５及びｐ形半導体領域１６の結晶方位を揃えて形成することができる。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金属層１２、１３の上にこれを核としてｎ形半導体領域１４、活性層１５及びｐ形半導体領域１６が順次にエピタキシャル成長される。なお、ｎ形半導体領域１４は金属層１３と低抵抗接触している。
【００１４】
第１の電極としてのアノード電極１８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１７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１６の表面に低抵抗接触させる。このアノード電極１８は図３に示すように円形の平面形状を有しており、半導体基体１７の上面のほぼ中央に配置されている。半導体基体１７の上面のうち、アノード電極１８の形成されていない領域２０は、光取り出し領域として機能する。
【００１５】
第２の電極としてのカソード電極１９は、半導体基体１７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半導体基体１７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。
【００１６】
図２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１９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１８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。
【００１７】
まず、本実施例の青色発光ダイオードでは、サファイアに比べて著しく低コストであり加工性も良いＳｉから成る基板を用い、且つそのチップ面積が小さくなっていることに加えてｎ形半導体領域１４の肉薄化も図られていることから材料コストと生産コストの削減が高水準に達成される。このため、従来では他の発光ダイオードに比べて高価であったＧａＮ系発光ダイオードのコストの著しい低減が可能となるという利点を有する。
また、アノード電極１８とカソード電極１９との間に、アノード電極１８の電位がカソード電極１９の電位よりも高い電圧（順方向電圧）を印加すると、アノード電極１８とカソード電極１９との間に半導体基体１７の厚み方向（縦方向）に順方向電流が流れる。このため、図１の従来の発光ダイオードにおいてｎ形半導体領域２で水平方向に流れた電流成分に相当するものが、図２のｎ形半導体領域１４に生じない。また、アノード電極１８が半導体基体１７の上面のほぼ中央に配置されており、カソード電極１９が半導体基体１７の下面の全面に形成されているため、アノード電極１８からカソード電極１９に流れる電流の経路を半導体基体１７の側面側にまで広げることができる。この結果、消費電力及び動作電圧を小さくすることが可能となる。
更に、本実施例の青色発光ダイオードでは、金属層１２、１３が反射板として機能すること等から光の外部取り出しが良好になり、発光輝度の向上も図１の発光ダイオ−ドに比べて遜色なく実現されている。
上記の作用効果を更に詳細に説明する。図２の発光ダイオードのアノード電極１８とカソード電極１９との間に順方向電圧を印加すると、活性層１５にはそれぞれｐ形半導体領域１６からはホール、ｎ形半導体領域１４からは電子が注入され、これらキャリアの再結合によって発光が生じる。活性層１５で生じた光は半導体基体１７の上面側即ちｐ形半導体領域１６側と、半導体基体１７の下面側即ちｎ形半導体領域１４側とに放射され、半導体基体１７の上面側に放射された光は半導体基体１７の上面に形成された光取り出し領域２０を通じて外部に放出される。また、活性層１５の下方にはその全体にわたって金属層１２、１３が配置されており、この金属層１２、１３が活性層１５から半導体基体１７の下面側に放射された光に対する反射板として機能する。このため、活性層１５から下方に放射された光を活性層１５に近い位置で上方に反射させることができ、減衰を最小限に抑えて光を効率よく半導体基体１７の上面側に導いて素子外部に導出させることができる。以上により、本実施例の青色発光ダイオードによれば、光吸収性を有するシリコンから成る低抵抗性基板１１を使用したにもかかわらず、所望の発光輝度を得ることができる。
また、実施例の青色発光ダイオ−ドによれば、熱膨張係数の異なるシリコンから成る抵抗性基板１１とＧａＮから成る半導体領域１４、１５、１６との間に金属層１２、１３が介在し、これが緩衝材として機能するため、熱膨張係数差に起因するクラックが半導体領域１４、１５、１６に生じることも防止される。
【００１８】
上述から明らかなように本実施例の青色発光ダイオードは次の効果を有する。
（１）コストパフォーマンスに優れている。
（２）生産性に優れている。
（３）消費電力及び動作電圧を低くすることができる。
【００１９】
【変形例】
本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば次のような変形が可能なものである。
（１）Ｔｉから成る第１の金属層１２は省略することができる。しかしながら、Ｐｔから成る第２の金属層１３と低抵抗性基板１１との密着性を良好にするためにはＴｉから成る第１の金属層１２を介在させるのが望ましい。
（２）低抵抗性基板１１の一方の主面上に形成される金属層１３はＰｔ以外の金属から形成されていてもよい。例えばＰｔ以外のＩｒ（イリジウム）、Ｏｓ（オスミウム）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）等の白金属元素によって形成することができる。これらの白金属元素はＧａＮ系半導体よりも熱膨張係数が大きいため、ＧａＮ系半導体にクラックを発生させることがなく、またＧａＮを成長する高温下でも安定であるから、これを使用すると本発明の効果を良好に得ることができる。
（３）低抵抗性基板１１をシリコン以外のＧａＰ、ＡｌＩｎＰ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＡｌＧａＩｎＰ等の化合物半導体で形成してもよい。
（４）図２の発光素子において第１の導電形がｎ形、第２の導電形がｐ形であるが、これを逆にしてもよい。即ち、低抵抗性基板１１、ｎ形半導体領域１４、活性層１５、ｐ形半導体領域１６の導電形を反転してもよい。この場合、水素吸蔵の性質をもつ白金属元素がＰ形半導体の水素によるキャリアの不活性化を抑制するため、成長後の電子ビ−ム照射や熱処理等を行わなくても、Ｐ型半導体結晶を良好に得ることができる利点がある。また、図２のｐ形半導体領域１６の代りにｎ形ＧａＮを形成すると、ｎ形ＧａＮはｐ形ＧａＮに比べてキャリア移動度が極めて大きいので、電流通路を素子の外周側にまで広げることができ、発光領域を広げることができる。
（５）金属層１３の厚みは下側のシリコン単結晶の低抵抗性基板１１の結晶方位を上側のｎ形半導体領域１４に良好に伝達できるように５００〜２０００オングストロームの範囲に設定するのが望ましい。５００オングストロームより薄いと金属層１３が半導体領域１４の成長のための核となって上側の半導体領域１４に下側の単結晶シリコンの結晶方位を良好に伝えることが難しくなり、一方、２０００オングストロームよりも厚くなると、金属層１３内の結晶方位が下側の単結晶シリコンの方位と一致しなくなるため、同様に上側の半導体領域１４に結晶方位を良好に伝達できなくなる。
（６）第１の半導体領域としてのｎ形半導体領域１４を不純物濃度や材料の異なる複数の層にすること、及びｐ形半導体領域１６を不純物濃度や材料の異なる複数の層にすることができる。また、アノード電極１８の下にオーミック接触を良好にするための半導体領域を形成することができる。
（７）活性層１５の導電形を第１の半導体領域１４の導電形と同じにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の発光ダイオードを示す断面図である。
【図２】本発明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３】図２の発光ダイオードの斜視図である。
【符号の説明】
１１シリコン単結晶から成る低抵抗性基板
１２、１３第１及び第２の金属層
１４ｎ形半導体領域
１５活性層
１６ｐ形半導体領域
１７基体
１８アノード電極
１９カソード電極

Claims

導電性を有するシリコン基板と、
前記シリコン基板の一方の主面上に形成されたＴｉから成る第１の金属層と、
前記第１の金属層の上に形成されたＰｔ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕから選択された少なくとも１種から成る第２の金属層と、
前記第２の金属層の上に形成されており且つ窒化ガリウム又は窒素とガリウムを含む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又は窒素とガリウムを含む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の一部に形成された第１の電極と、
前記シリコン基板の他方の主面に形成された第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。
前記第２の半導体領域と前記第１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記載の半導体発光素子。
前記第１及び第２の金属層はスパッタリング法で形成された層であり、前記第１及び第２の半導体領域はＭＯＣＶＤ方法（有機金属化学気相成長法）で形成された層であ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。