JP3991193B2 - 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し、詳細には反射層を有する半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＧａＡｌＮ（窒化ガリウム アルミニウム）、ＩｎＧａＮ（窒化インジウム ガリウム）、ＩｎＧａＡｌＮ（窒化インジウム ガリウム アルミニウム）等の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた例えば青色発光ダイオード等の半導体発光素子は公知である。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】
【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、本願出願人の一方は、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、シリコシ等から成る基板と発光層との間に、DBR（Distributed
Bragg Reflectors）反射膜を形成することが考えられる．DBR反射膜を形成すれば、発光層から素子の下面側に放出きれた光の一部を反射させて素子上面から取り出すことができ、発光効率を増加することができる。
ここで、DBR反射膜の反射効率を増加するためには、反射膜を構成する低屈折率領域と高屈折率領域の屈折率の差を大きくする必要がある。低屈折率領域は例えはAlxGa1-xNによって形成することができ、そのAl混晶比を増加すれば屈折率が大きくなり、高屈折率領域との屈折率差を大きくすることができる。
【０００７】
一方、このDBR反射膜は電流経路を構成する為、DBR反射膜を低抵抗化する必要がある。ところで、屈折率を低下させるために、AlxGa1-xNから形成される低屈折率領域のAl混晶比が大きい場合には、低屈折率領域を低抵抗化するために導電性付与不純物（Ｓi）を多量にドープしなければならない。
【０００８】
しかし、低屈折率領域に多量の不純物をドープすると、低屈折率領域の結晶性が劣化してしまう。反射膜の結晶性の劣化はその上面に形成される発光層の結晶性の劣化を招来し、発光特性等を低下させる原因となる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、シリコン等から成る低抵抗性半導体基板を使用して低コスト化されているにも拘らず、外部量子効率即ち発光効率が高く、良好な発光特性を有している発光素子を提供することにある。
【００１０】
【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、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基板と、
前記基板の一方の主面上に配置された反射層と、
発光機能を得るために前記反射層の上に配置された複数の窒化ガリウム系化合物層を含んでいる半導体領域と、
前記半導体領域の表面上に配置された第１の電極と、
前記基板の他方の主面に配置された第２の電極と
を備えており、
前記反射層は、Ａｌを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成り且つ小さい屈折率を有している低屈折率領域と、Ａｌを含まない又は前記低屈折率領域よりも低い割合でＡｌを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成り且つ前記低屈折率領域よりも大きい屈折率を有している高屈折率領域との複合体から成っており、
前記低屈折率領域はドナ−不純物又はアクセプタ不純物が高濃度にドーピングされた高濃度層とこの高濃度層よりも低い濃度にドナ−不純物又はアクセプタ不純物がドーピングされ且つ前記高濃度層よりも良い結晶性を有している低濃度層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。
【００１１】
なお、請求項２に示すように、前記低屈折率領域の前記高濃度層及び前記低濃度層は、ドナ−不純物又はアクセプタ不純物がドーピングされた
化学式 ＡｌxＧａ1-xＮ
ここで、ｘは０＜ｘ≦１を満足する数値、
で示すことができる材料から成り、
前記高屈折率領域は、ＧａＮ、又は
化学式 ＡｌyＧａ1-yＮ
ここで、ｙはｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を満足する数値、
で示すことができる材料から成ることが望ましい。
また、請求項３に示すように、前記低屈折率領域の前記高濃度層及び前記低濃度層は、ドードナ−不純物又はアクセプタ不純物がド−ピングピングされた、
化学式 ＡｌxＧａ1-xＮ
ここで、ｘは０＜ｘ≦0.8を満足する数値、
で示すことができる材料から成ることが望ましい。
また、請求項４に示すように、前記低屈折率領域は、複数の前記低濃度層と単数又は複数の前記高濃度層とを有し、前記高濃度層と前記低濃度層とが交互に配置されていることが望ましい。
また、請求項５に示すように、前記反射層は、複数の前記低屈折率領域と複数の前記高屈折率領域とから成り、前記低屈折率領域と前記高屈折率領域とが交互に配置されていることが望ましい。
【００１２】
【発明の効果】
本願各請求項の発明は次の効果を有する。
（１） 基板即ちサブストレートに半導体を使用してコストの低減を図っているにも拘らず、反射層を形成したので、発光素子の発光効率を増大することができる。
（２） 消費電力及び動作抵抗を低減することができる。即ち、基板が電流通路を形成することができる低抵抗性半導体基板であるので、電流通路を半導体基板の厚み方向に形成することができ、更に、低屈折率領域にドナ−不純物又はアクセプタ不純物が高濃度にドープされた領域（デルタド−プ領域）が設けられているので、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。
（３）低屈折率領域がドナ−不純物又はアクセプタ不純物が高濃度にドーピングされた高濃度層とこの高濃度層よりも低濃度にドナ−不純物又はアクセプタ不純物がドーピングされた低濃度層とから成るので、低濃度層が結晶性の劣化を防ぐ。従って、低屈折率領域の抵抗が平均的に見て低いにもかかわらず低屈折率領域の結晶性が比較的良好となる。この結果、反射層の上方に形成される窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性、及び平坦性が良好となり、優れた発光特性を有する半導体発光素子を提供できる。
また、請求項２、３、４、５の発明によれば、より好ましい低屈折率領域を得ることができる。
【００１３】
【実施形態】
次に、図１〜図３を参照して本発明の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。
【００１４】
図１に示す本発明の１実施形態に従う青色発光ダイオードは、不純物を含むシリコンから成る低抵抗性半導体基板即ちサブストレート（以下、低抵抗性基板という）１１、分布ブラッグ反射膜即ちＤＢＲ（Distributed Bragg Reflectors）から成る反射層１２、及び発光機能を得るための半導体領域１３を有している。発光機能を有する半導体領域１３は、主成分としてガリウムと窒素とを含む化合物半導体層即ち窒化ガリウム系化合物半導体層を複数有する。即ち、この発光用半導体領域１３は、ｎ形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）から成る発光層１５、及び第２の半導体領域としてのｐ形ＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体領域１６、ｎ形ＧａＮから成る電流制限領域１７を順次に積層したものである。なお、ｎ形半導体領域１４はｎ形クラッド層、ｐ形半導体領域１６はｐ形クラッド層、発光層１５は活性層の機能を有する。また、反射層１２には、光反射機能のみならず、電流通路を形成する導電機能及びバッファ機能を有する。
【００１５】
ｐ形半導体領域１６及び電流制限領域１７の上に周知の光透過性導電膜１８を介して第１の電極１９即ちアノード電極が形成されている。なお、ｐ形半導体領域１６の上面は平面形状四角形であって、電流制限領域１７はｐ形半導体領域１６の中央に配置されている。第１の電極１９は光透過性導電膜１８を介して電流制限領域１７に対向するように配置されている。
【００１６】
低抵抗性基板１１の下面には、第２の電極２０即ちカソード電極が接続されている。なお、ＤＢＲ反射層１２、ｎ形半導体領域１４、発光層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揃えて成長させたものである。また、ｐ形半導体領域１６の上面及び基板１１の下面は平坦面であり、互いに平行に配置されている。
【００１７】
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５×１０１９ｃｍ−３〜５×１０１ 9ｃｍ−３程度の高濃度で導入され且つ（１１１）結晶面を有する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は第２の電極２０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、本実施形態では、反射層１２及び主半導体領域１３の機械的支持体として機能するように低抵抗性基板１１の厚みが約３５０μｍに設定されている。
【００１８】
低抵抗性基板１１の平面形状四角形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ＤＢＲ反射層１２は、図２に示すように層又は膜から成る低屈折率領域１２ａと層又は膜から成る高屈折率領域１２ｂとが交互に積層されたものである。図２では図示の都合上低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂとの一部のみ示されているが、実際のＤＢＲ反射層１２は２０箇の低屈折率領域１２ａと２０箇の高屈折率領域１２ｂとを有し、これ等が交互に積層され、合計で４０層に形成されている。
【００１９】
低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂの厚みは、発光層１５から放出される光の波長等によって決定される。本実施形態では波長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形成されているため、ＤＢＲ反射層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、低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂの厚みは、（λ／４）×（１／ｎ）（ただし、λは発光波長、ｎは屈折率）により求めることができる。
本実施形態の低屈折率領域１２ａの実効屈折率は２.４５であり、その膜厚は約４５９オングストロームである。高屈折率領域１２ｂの実効屈折率は２.６であり、その膜厚は約４３２オングストロームである。従って、ＤＢＲ反射層１２の全体の厚みは約１７８２オングストロームである。
【００２０】
図２の低屈折率領域１２ａのそれぞれは、図３に示すように複数（３個）のシリコン低濃度層２１と複数（２個）のシリコン高濃度層２２とを交互に積層したものから成る。低濃度層２１及び高濃度層２２は、導電形決定不純物としてのシリコンがドープされた
化学式 ＡｌxＧａ1-xＮ
ここで０＜ｘ≦１を満足する数値、
で示すことができる材料から成る。本実施例では、低濃度層２１及び高濃度層２２として、上記化学式においてｘ＝０.５にしたもものに相当するＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎにシリコンをドープしたものが使用されている。
低濃度層２１のシリコンドープ量は約2×1018cm-3であり、高濃度層２２のシリコンドープ量は約2×1019cm-3である。低濃度層２１よりもシリコンが高濃度にドープされた高濃度層２２は、低濃度層２１に比較して結晶性が良好に得られない。このため、高濃度層２２の厚みは、低屈折率領域１２ａの厚みの30％以下に設定することが望ましい．一方、高濃度層２２の厚みがあまり小さいと、低屈折率領域１２ａを低抵抗化することが難しくなる。したがって、高濃度層２２の厚みは、低屈折率領域１２ａの厚みの5％以上に設定することが望ましい。本実施例では、低屈折率領域１２ａの結晶性が良好に得られ且つ十分に低抵抗化されるように、高濃度層２２の合計の厚みを低屈折率領域１２ａの厚みの20％とした。したがって、各高濃度層２２の厚みは約46オングストロームであり、各低濃度層２１の厚みは約122オングストロームである。
【００２１】
高屈折率領域１２ｂは、GaN、又は化学式
ＡｌyＧａ1-yＮ
ここで、ｙはｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を満足する数値、
で示すことができる材料から成る膜であり、導電性を付与する不純物としてシリコンがドーピングされている。したがって、高屈折率領域１２ｂは導電性を有する膜である。なお、本実施例の高屈折率領域１２ｂは上記式のｙ＝０に相当するものであり、シリコンがドーピングされたGaNからなる。高屈折率領域１２ｂにおけるシリコン分布はその厚み方向にほぼ均一である。高屈折率領域１２ｂはAlを含まないか又は少しのみ含む膜であるので、シリコンのドープ量を比較的小さくしてもその抵抗値を下げることができる。このため、シリコンの高ドーブによる結晶性劣化の間題が生じない。本実施例では、高屈折率領域１２ｂのシリコンドープ量を約1×1019cm-3とした。
【００２２】
本実施例のＤＢＲ反射層１２は、周知のＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長方法）によってシリコンドープのＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎから成る低屈折率領域１２ａとシリコンドープのＧａＮから成る高屈折率領域１２ｂとを順次連続して積層形成したものである。
【００２３】
次に、発光ダイオ−ドの製造方法を詳しく説明する。
まず、シリコン単結晶の低抵抗性基板１１に弗酸系のエッチング液によって周知の水素終端処理を施す。次に、この基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置し、１２１０℃、７分間真空中で加熱処理して表面の酸化膜を除去する。
【００２４】
次に、反応室の温度を１１００℃まで低下させて安定化した後、反応室内に、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスを６３μmol ／min、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスを６３μmol ／min、アンモンニアを０．１４mol ／min、及びシラン（ＳｉＨ4 ）を２０ｎmol ／min流して厚さ約１２２オングストロームのシリコンドープＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎから成る導電性を有する低濃度層２１を気相成長法で形成する。また、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスを６３μmol ／min、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスを６３μmol ／min、及びシラン（ＳｉＨ4 ）を４００ｎmol ／min流して厚さ約４６オングストロームのシリコンドープＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎから成る高濃度層２２を気相成長法で形成する。上記の低濃度層２１と高濃度層２２を繰返して形成して厚さ約４５９オングストロームの低屈折率領域１２ａを得る。
【００２５】
次に、ＴＭＡガスの供給をストップしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスを６３μmol ／min、アンモンニアを０．１４mol ／min、及びシラン（ＳｉＨ4 ）を２０ｎmol ／min流して厚さ約４３２オングストロームのｎ形ＧａＮから成る高屈折率領域１２ｂを気相成長法で形成する。
低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂとを交互に２０回繰り返して形成し合計４０層のＤＢＲ反射層１２を得る。
【００２６】
ＤＢＲ反射層１２の上にｎ形半導体領域１４、発光層１５、ｐ形半導体領域１６を周知のＭＯＣＶＤ法によって順次連続して形成する。即ち、ＤＢＲ反射層１２の形成後にまずＭＯＣＶＤ装置の反応室に配置された低抵抗性基板１１の温度を１０４０℃とした後、ＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量を約４．３μmol ／min、ＮＨ3 ガスの流量即ちＮＨ3 の供給量を約５３．６ｍmol／min、シランガスの流量即ちＳｉの供給量を約１．５ｎmol ／minとして、ｎ形ＧａＮを約２μｍの厚さに成長させてｎ形半導体領域１４を得る。このｎ形半導体領域１４の不純物濃度は約３×１０19ｃｍ-3であって、低抵抗性基板１１の不純物濃度より十分に低い。
なお、本実施例によればバッファ層としても機能するＤＢＲ反射層１２が介在することにより、比戟的高温でn形半導体層１４をＤＢＲ反射層12の上面に直接に形成することが可能になる。
【００２７】
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（ＴＭＩｎガス）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１４の上面にｐ形ＩｎＧａＮから成る発光層１５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。本実施形態では、ＴＭＧガスの流量を約１．１ｍmol ／min、ＮＨ3 ガスの流量を約６７ｍmol ／min、ＴＭＩｎガスの流量即ちＩｎの供給量を約４５μmol ／min、Ｃｐ2 Ｍｇガスの流量即ちＭｇの供給量を約１２ｎmol／minとした。また、発光層１５の厚みは約２０オングストローム、この不純物濃度は約３×１０17ｃｍ-3である。
【００２８】
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ガスを供給して発光層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。本実施形態では、この時のＴＭＧガスの流量を約４．３μmol ／min、アンモニアガスの流量を約５３．６ｍmol ／min、Ｃｐ2 Ｍｇガスの流量を約０．１２μmol ／minとした。なお、ｐ形半導体領域１６の厚みは約０．５μｍ、この不純物濃度は約３×１０18ｃｍ-3である。
【００２９】
続いて、原子状水素がｐ形ＧａＮ中に存在できない溶解安定化温度以上である１０５０℃の状態で、ＴＭＧを６３μｍｏｌ／minとシラン（ＳｉＨ4）を２１ｎｍｏｌ／minを流してｐ形ＧａＮから成るｐ形半導体領域１６上にｎ形ＧａＮを２５ｎｍ成長させる。このｎ形ＧａＮは図１に示すｎ形ＧａＮから成る電流制限層１７を得るためのものであって、p形ＧａＮから成るｐ形半導体領域１６への水素の溶解を防止する。
【００３０】
次に、このウエハを反応炉から取り出した後、フォトリソグラィ−と酸化を利用したガスエッチングを使用して、最上層のｎ形ＧａＮ層の一部を除去して、後に形成する第１の電極１９と概ね同じ平面形状を有するｎ形ＧａＮ電流制限層１７を図１に示すようにｐ形半導体領域１６の中央部に残存させる。ウエハを反応炉から取り出した時にウエハは原子状水素の溶解安定化温度以下に曝されるが、最上層のｎ形ＧａＮ層の存在によって原子状水素がｐ形半導体領域１６のｐ形ＧａＮに溶け込むことが防止できる。この結果、原子状水素がｐ形ＧａＮ系化合物中に安定して存在することが防止され、ｐ形不純物元素(アクセプタ元素)の活性化率が向上し、抵抗（比抵抗）の低いｐ形ＧａＮ系化合物半導体から成るｐ形半導体領域１６が得られる。
【００３１】
次に、残存するｎ形ＧａＮから成る電流制限層１７とその周囲に露出するｐ形半導体領域１６の上面に光透過性導電膜１８を形成し、更にｎ形ＧａＮ電流制限層１７の上面に光透過性導電膜１８を介して第１の電極１９を形成する。第１の電極１９の下側に配置されたｎ形ＧａＮ電流制限層１７は第１の電極の下部に電流が流れることを防止する電流ブロック層として機能する。なお、光透過性導電膜１８は、例えばニッケルと金とで形成し、第１の電極１９は金で形成する。
第２の電極２０は、例えばチタンとニッケルを周知の真空蒸着法等によって低抵抗性基板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たものである。
【００３２】
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、例えば第２の電極２０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、第１の電極１９を周知のワイヤボンディング方法等によって外部電極に対してワイヤで電気的に接続する。
【００３３】
本実施形態の青色発光ダイオードは次の効果を有する。
（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半導体基板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） 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低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂとを一組とする分布ブラッグ反射膜（ＤＢＲ膜）の複数から成るＤＢＲ反射層１２が形成されている。従って、発光層１５から基板１１の側に放出された光は、ＤＢＲ反射層１２によって基板１１の上面方向に反射される。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。
（３） Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎからなる低屈折率領域１２ａにシリコンが高濃度にドープされた高濃度層２１が形成されているため、低屈折率領域１２ａ全体の平均抵抗値即ち実効的な抵抗値が小さくなっている。このため、ＤＢＲ反射層１２を介して半導体基体の縦方向に流れる電流通路の抵抗を十分に小さくすることができ、消費電力及び動作電圧の小さな発光素子を実現できる。
（４） Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎからなる低屈折率領域１２ａにシリコンが低濃度にドープされた低濃度層２２が形成されているため、低抵抗化したにもかかわらず低屈折率領域１２ａの結晶性が比較的良好となる。したがってＤＢＲ反射層１２の上方に形成される窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶性及び平坦性が良好となり、優れた発光特性を有する半導体発光素子を実現できる。
（５） 反射層１２は、ＡｌxＧａ1-xＮから成る低屈折率領域１２ａとＧａＮ又はＡｌyＧａ1-yＮから成る高屈折率領域１２ｂとの複合層であるので、バッファ層として有効に機能する。即ち、反射層１２の線膨張係数はシリコン又はこの化合物から成る基板１１の線膨張係数とGaN系化合物から成る半導体領域１３の線膨張係数との中間の値を有し、基板１１と半導体領域１３との熱膨張係数の差に起因する歪の発生を防止する。これにより、発光特性が向上する。
【００３４】
【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） 低屈折率領域１２ａのAl混晶比を0．5以外に設定しても良い。ただし、低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂとの間に屈折率差を持たせて十分な反射効率を得るためには、Alの混晶比ｘを0．2以上に設定することが望ましい。一方、Alの混晶比ｘが0．8を超えると低屈折率領域１２ａのドーピング効率が低下するので、Alの混晶比ｘは0・8以下に設定することが望ましい。
（２） 低濃度層２１の不純物濃度は、低屈折率領域１２ａの結晶性を良好にするために、約5×1018cm-3以下にするのがよい。高濃度層２２の不純物濃度は、低屈折率領域１２ａの抵抗値を低減する為に、1×1019cm-3以上にするのが良い。
（３） 低屈折率領域１２ａに形成する高濃度層２２の数は増減することができる。例えば、図４に示すように１つの低屈折率領域１２ａに単一の高濃度層２２を形成しても良い。また、3個以上の高濃度層２２を形成しても良い。なお、高濃度層２２を複数形成して、隣り合う低濃度層２１の厚みを量子力学的なトンネル効果が発生する程度に薄く形成すれば、低濃度層２１の不純物濃度を実質的に絶縁物とみなせるように十分に小さくしても低屈折率領域１２ａの低抵抗化が達成される。この結果、更なる結晶性の向上が期待される。
（４） 高屈折率領域１２ｂをA１yGa1-yN（但し、yはy＜ｘ及び0＜y＜1を満足する数値である。）で形成しても良い。この場合、高屈折率領域１２ｂにもＳｉ低濃度層とＳｉ高濃度層を形成すると良い。
（５） 図２の高屈折率領域１２ｂを組成の異なる複数の層で形成することができる。
（６） 上述の実施形態では低屈折率領域１２ａが２０層、高屈折率領域１２ｂが２０層、合計４０層のＤＢＲ反射層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反射層１２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。
（７） 基板１１を単結晶シリコン以外の導電性を有する多結晶シリコン、シリコン化合物で構成しても良い。
（８） 基板11、反射層１２及び半導体領域１３の各半導体の導電形を上述の実施形態と反対の導電形にすることもできる。
（９） 光透過性導電膜１８とｐ型半導体領域１６との間にｐ+形半導体領域等を介在させることができる。
（１１） 図５に示すように電流制限用ＧａＮ層１７及び光透過性導電膜１８を省いて第１の電極１９ａをｐ形半導体領域１６の一部に接続することができる。
（１２） 実施形態では、低屈折率領域１２ａの高濃度層２２と低濃度層２１にドナ−不純物としてＳｉをド−ピングした半導体発光素子を示したが、シリコンの代りにＳｅ（セレン）、Ｔｅ（テルル）、Ｓ（硫黄）、Ｏ（酸素）などのドナー不純物をド−ピングしても良い。但し、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓ、Ｏ等はＳｉに比べて、伝導帯から深いエネルギ−準位にドナ−レベルが形成されるため、ドナ−化率があまり良くない。このため、Ｓｉと同様のキャリア密度を得ようとすると、ドナ−不純物を高濃度にド−ピングする必要があり、結晶性の劣化を招く恐れがある。また、Ｓｉに比べて拡散定数が大きいため、ド−ピングすべき層以外にも不純物が拡散し、急峻なド−ピングプロファイルを作り込むのが難しい。従って、実施形態のように、ドナ−不純物としては、Ｓｉを使用することが最も望ましい。
（１３） 実施形態では、低屈折率領域１２ａの高濃度層２２と低濃度層２１にドナ−不純物としてのシリコンをド−ピングした半導体発光素子を示したが、低屈折率領域１２ａの高濃度層２２と低濃度層２１にドナ−不純物(シリコン)の代りにアクセプタ不純物をド−ピングした半導体発光素子としても良い。このアクセプタ不純物として、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃｄ（カドミウム）、Ｃ（炭素）などが使用できる。ただし、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ等はＭｇに比べて、価電子帯から深いレベルにアクセプタレベルが形成されるため、アクセプタ化率があまり良くない。このため、Ｍｇと同様のキャリア密度を得ようとすると、アクセプタ不純物を高濃度にド−ピングする必要があり、結晶性の劣化を招く恐れがある。従って、アクセプタ不純物としては、Ｍｇを使用することが最も望ましい。
（１４） 本発明は、垂直共振器型面発光レ−ザ等にも適用できる。垂直共振器型面発光レ−ザは、例えば特開平８−２１３６９３号公報に示されているように、発光層、第１導電形のクラッド層及び第２導電形のクラッド層を第１導電形のＤＢＲ反射膜と第２導電形のＤＢＲ反射膜で挟んだ構造を有する。本発明に基づいて、第１導電形のＤＢＲ反射膜と第２導電形のＤＢＲ反射膜の少なくとも一方のＤＢＲ反射膜の低屈折領域に、ドナ−不純物又はアクセプタ不純物が高濃度にド−ピングされた高濃度層とドナ−不純物又はアクセプタ不純物が低濃度にド−ピングされた低濃度層を形成することにより、低濃度層の結晶性の劣化を防いで消費電力及び動作電圧の低減化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態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反射層を詳しく示す断面図である。
【図３】図２の低屈折率領域の１つを詳しく示す断面図である。
【図４】変形例の低屈折率領域を示す断面図である。
【図５】変形例の発光素子の一部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 ＤＢＲ反射層
１２ａ 低屈折率領域
１２ｂ 高屈折率領域
１４ ｎ形半導体領域
１５ 発光層
１６ ｐ形半導体領域
２１ 低濃度層
２２ 高濃度層
【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し、詳細には反射層を有する半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＧａＡｌＮ（窒化ガリウム アルミニウム）、ＩｎＧａＮ（窒化インジウム ガリウム）、ＩｎＧａＡｌＮ（窒化インジウム ガリウム アルミニウム）等の窒化ガリウム系化合物半導体を用いた例えば青色発光ダイオード等の半導体発光素子は公知である。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】
【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、本願出願人の一方は、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、シリコシ等から成る基板と発光層との間に、DBR（Distributed
Bragg Reflectors）反射膜を形成することが考えられる．DBR反射膜を形成すれば、発光層から素子の下面側に放出きれた光の一部を反射させて素子上面から取り出すことができ、発光効率を増加することができる。
ここで、DBR反射膜の反射効率を増加するためには、反射膜を構成する低屈折率領域と高屈折率領域の屈折率の差を大きくする必要がある。低屈折率領域は例えはAlxGa1-xNによって形成することができ、そのAl混晶比を増加すれば屈折率が大きくなり、高屈折率領域との屈折率差を大きくすることができる。
【０００７】
一方、このDBR反射膜は電流経路を構成する為、DBR反射膜を低抵抗化する必要がある。ところで、屈折率を低下させるために、AlxGa1-xNから形成される低屈折率領域のAl混晶比が大きい場合には、低屈折率領域を低抵抗化するために導電性付与不純物（Ｓi）を多量にドープしなければならない。
【０００８】
しかし、低屈折率領域に多量の不純物をドープすると、低屈折率領域の結晶性が劣化してしまう。反射膜の結晶性の劣化はその上面に形成される発光層の結晶性の劣化を招来し、発光特性等を低下させる原因となる。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、シリコン等から成る低抵抗性半導体基板を使用して低コスト化されているにも拘らず、外部量子効率即ち発光効率が高く、良好な発光特性を有している発光素子を提供することにある。
【００１０】
【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、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基板と、
前記基板の一方の主面上に配置された反射層と、
発光機能を得るために前記反射層の上に配置された複数の窒化ガリウム系化合物層を含んでいる半導体領域と、
前記半導体領域の表面上に配置された第１の電極と、
前記基板の他方の主面に配置された第２の電極と
を備えており、
前記反射層は、Ａｌを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成り且つ小さい屈折率を有している低屈折率領域と、Ａｌを含まない又は前記低屈折率領域よりも低い割合でＡｌを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成り且つ前記低屈折率領域よりも大きい屈折率を有している高屈折率領域との複合体から成っており、
前記低屈折率領域はドナ−不純物又はアクセプタ不純物が高濃度にドーピングされた高濃度層とこの高濃度層よりも低い濃度にドナ−不純物又はアクセプタ不純物がドーピングされ且つ前記高濃度層よりも良い結晶性を有している低濃度層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。
【００１１】
なお、請求項２に示すように、前記低屈折率領域の前記高濃度層及び前記低濃度層は、ドナ−不純物又はアクセプタ不純物がドーピングされた
化学式 ＡｌxＧａ1-xＮ
ここで、ｘは０＜ｘ≦１を満足する数値、
で示すことができる材料から成り、
前記高屈折率領域は、ＧａＮ、又は
化学式 ＡｌyＧａ1-yＮ
ここで、ｙはｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を満足する数値、
で示すことができる材料から成ることが望ましい。
また、請求項３に示すように、前記低屈折率領域の前記高濃度層及び前記低濃度層は、ドードナ−不純物又はアクセプタ不純物がド−ピングピングされた、
化学式 ＡｌxＧａ1-xＮ
ここで、ｘは０＜ｘ≦0.8を満足する数値、
で示すことができる材料から成ることが望ましい。
また、請求項４に示すように、前記低屈折率領域は、複数の前記低濃度層と単数又は複数の前記高濃度層とを有し、前記高濃度層と前記低濃度層とが交互に配置されていることが望ましい。
また、請求項５に示すように、前記反射層は、複数の前記低屈折率領域と複数の前記高屈折率領域とから成り、前記低屈折率領域と前記高屈折率領域とが交互に配置されていることが望ましい。
【００１２】
【発明の効果】
本願各請求項の発明は次の効果を有する。
（１） 基板即ちサブストレートに半導体を使用してコストの低減を図っているにも拘らず、反射層を形成したので、発光素子の発光効率を増大することができる。
（２） 消費電力及び動作抵抗を低減することができる。即ち、基板が電流通路を形成することができる低抵抗性半導体基板であるので、電流通路を半導体基板の厚み方向に形成することができ、更に、低屈折率領域にドナ−不純物又はアクセプタ不純物が高濃度にドープされた領域（デルタド−プ領域）が設けられているので、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。
（３）低屈折率領域がドナ−不純物又はアクセプタ不純物が高濃度にドーピングされた高濃度層とこの高濃度層よりも低濃度にドナ−不純物又はアクセプタ不純物がドーピングされた低濃度層とから成るので、低濃度層が結晶性の劣化を防ぐ。従って、低屈折率領域の抵抗が平均的に見て低いにもかかわらず低屈折率領域の結晶性が比較的良好となる。この結果、反射層の上方に形成される窒化ガリウム系化合物半導体の結晶性、及び平坦性が良好となり、優れた発光特性を有する半導体発光素子を提供できる。
また、請求項２、３、４、５の発明によれば、より好ましい低屈折率領域を得ることができる。
【００１３】
【実施形態】
次に、図１〜図３を参照して本発明の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。
【００１４】
図１に示す本発明の１実施形態に従う青色発光ダイオードは、不純物を含むシリコンから成る低抵抗性半導体基板即ちサブストレート（以下、低抵抗性基板という）１１、分布ブラッグ反射膜即ちＤＢＲ（Distributed Bragg Reflectors）から成る反射層１２、及び発光機能を得るための半導体領域１３を有している。発光機能を有する半導体領域１３は、主成分としてガリウムと窒素とを含む化合物半導体層即ち窒化ガリウム系化合物半導体層を複数有する。即ち、この発光用半導体領域１３は、ｎ形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）から成る発光層１５、及び第２の半導体領域としてのｐ形ＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体領域１６、ｎ形ＧａＮから成る電流制限領域１７を順次に積層したものである。なお、ｎ形半導体領域１４はｎ形クラッド層、ｐ形半導体領域１６はｐ形クラッド層、発光層１５は活性層の機能を有する。また、反射層１２には、光反射機能のみならず、電流通路を形成する導電機能及びバッファ機能を有する。
【００１５】
ｐ形半導体領域１６及び電流制限領域１７の上に周知の光透過性導電膜１８を介して第１の電極１９即ちアノード電極が形成されている。なお、ｐ形半導体領域１６の上面は平面形状四角形であって、電流制限領域１７はｐ形半導体領域１６の中央に配置されている。第１の電極１９は光透過性導電膜１８を介して電流制限領域１７に対向するように配置されている。
【００１６】
低抵抗性基板１１の下面には、第２の電極２０即ちカソード電極が接続されている。なお、ＤＢＲ反射層１２、ｎ形半導体領域１４、発光層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揃えて成長させたものである。また、ｐ形半導体領域１６の上面及び基板１１の下面は平坦面であり、互いに平行に配置されている。
【００１７】
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５×１０１９ｃｍ−３〜５×１０１ 9ｃｍ−３程度の高濃度で導入され且つ（１１１）結晶面を有する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は第２の電極２０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、本実施形態では、反射層１２及び主半導体領域１３の機械的支持体として機能するように低抵抗性基板１１の厚みが約３５０μｍに設定されている。
【００１８】
低抵抗性基板１１の平面形状四角形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ＤＢＲ反射層１２は、図２に示すように層又は膜から成る低屈折率領域１２ａと層又は膜から成る高屈折率領域１２ｂとが交互に積層されたものである。図２では図示の都合上低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂとの一部のみ示されているが、実際のＤＢＲ反射層１２は２０箇の低屈折率領域１２ａと２０箇の高屈折率領域１２ｂとを有し、これ等が交互に積層され、合計で４０層に形成されている。
【００１９】
低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂの厚みは、発光層１５から放出される光の波長等によって決定される。本実施形態では波長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形成されているため、ＤＢＲ反射層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、低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂの厚みは、（λ／４）×（１／ｎ）（ただし、λは発光波長、ｎは屈折率）により求めることができる。
本実施形態の低屈折率領域１２ａの実効屈折率は２.４５であり、その膜厚は約４５９オングストロームである。高屈折率領域１２ｂの実効屈折率は２.６であり、その膜厚は約４３２オングストロームである。従って、ＤＢＲ反射層１２の全体の厚みは約１７８２オングストロームである。
【００２０】
図２の低屈折率領域１２ａのそれぞれは、図３に示すように複数（３個）のシリコン低濃度層２１と複数（２個）のシリコン高濃度層２２とを交互に積層したものから成る。低濃度層２１及び高濃度層２２は、導電形決定不純物としてのシリコンがドープされた
化学式 ＡｌxＧａ1-xＮ
ここで０＜ｘ≦１を満足する数値、
で示すことができる材料から成る。本実施例では、低濃度層２１及び高濃度層２２として、上記化学式においてｘ＝０.５にしたもものに相当するＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎにシリコンをドープしたものが使用されている。
低濃度層２１のシリコンドープ量は約2×1018cm-3であり、高濃度層２２のシリコンドープ量は約2×1019cm-3である。低濃度層２１よりもシリコンが高濃度にドープされた高濃度層２２は、低濃度層２１に比較して結晶性が良好に得られない。このため、高濃度層２２の厚みは、低屈折率領域１２ａの厚みの30％以下に設定することが望ましい．一方、高濃度層２２の厚みがあまり小さいと、低屈折率領域１２ａを低抵抗化することが難しくなる。したがって、高濃度層２２の厚みは、低屈折率領域１２ａの厚みの5％以上に設定することが望ましい。本実施例では、低屈折率領域１２ａの結晶性が良好に得られ且つ十分に低抵抗化されるように、高濃度層２２の合計の厚みを低屈折率領域１２ａの厚みの20％とした。したがって、各高濃度層２２の厚みは約46オングストロームであり、各低濃度層２１の厚みは約122オングストロームである。
【００２１】
高屈折率領域１２ｂは、GaN、又は化学式
ＡｌyＧａ1-yＮ
ここで、ｙはｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を満足する数値、
で示すことができる材料から成る膜であり、導電性を付与する不純物としてシリコンがドーピングされている。したがって、高屈折率領域１２ｂは導電性を有する膜である。なお、本実施例の高屈折率領域１２ｂは上記式のｙ＝０に相当するものであり、シリコンがドーピングされたGaNからなる。高屈折率領域１２ｂにおけるシリコン分布はその厚み方向にほぼ均一である。高屈折率領域１２ｂはAlを含まないか又は少しのみ含む膜であるので、シリコンのドープ量を比較的小さくしてもその抵抗値を下げることができる。このため、シリコンの高ドーブによる結晶性劣化の間題が生じない。本実施例では、高屈折率領域１２ｂのシリコンドープ量を約1×1019cm-3とした。
【００２２】
本実施例のＤＢＲ反射層１２は、周知のＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長方法）によってシリコンドープのＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎから成る低屈折率領域１２ａとシリコンドープのＧａＮから成る高屈折率領域１２ｂとを順次連続して積層形成したものである。
【００２３】
次に、発光ダイオ−ドの製造方法を詳しく説明する。
まず、シリコン単結晶の低抵抗性基板１１に弗酸系のエッチング液によって周知の水素終端処理を施す。次に、この基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置し、１２１０℃、７分間真空中で加熱処理して表面の酸化膜を除去する。
【００２４】
次に、反応室の温度を１１００℃まで低下させて安定化した後、反応室内に、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスを６３μmol ／min、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスを６３μmol ／min、アンモンニアを０．１４mol ／min、及びシラン（ＳｉＨ4 ）を２０ｎmol ／min流して厚さ約１２２オングストロームのシリコンドープＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎから成る導電性を有する低濃度層２１を気相成長法で形成する。また、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスを６３μmol ／min、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスを６３μmol ／min、及びシラン（ＳｉＨ4 ）を４００ｎmol ／min流して厚さ約４６オングストロームのシリコンドープＡｌ0.5Ｇａ0.5Ｎから成る高濃度層２２を気相成長法で形成する。上記の低濃度層２１と高濃度層２２を繰返して形成して厚さ約４５９オングストロームの低屈折率領域１２ａを得る。
【００２５】
次に、ＴＭＡガスの供給をストップしてＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスを６３μmol ／min、アンモンニアを０．１４mol ／min、及びシラン（ＳｉＨ4 ）を２０ｎmol ／min流して厚さ約４３２オングストロームのｎ形ＧａＮから成る高屈折率領域１２ｂを気相成長法で形成する。
低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂとを交互に２０回繰り返して形成し合計４０層のＤＢＲ反射層１２を得る。
【００２６】
ＤＢＲ反射層１２の上にｎ形半導体領域１４、発光層１５、ｐ形半導体領域１６を周知のＭＯＣＶＤ法によって順次連続して形成する。即ち、ＤＢＲ反射層１２の形成後にまずＭＯＣＶＤ装置の反応室に配置された低抵抗性基板１１の温度を１０４０℃とした後、ＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量を約４．３μmol ／min、ＮＨ3 ガスの流量即ちＮＨ3 の供給量を約５３．６ｍmol／min、シランガスの流量即ちＳｉの供給量を約１．５ｎmol ／minとして、ｎ形ＧａＮを約２μｍの厚さに成長させてｎ形半導体領域１４を得る。このｎ形半導体領域１４の不純物濃度は約３×１０19ｃｍ-3であって、低抵抗性基板１１の不純物濃度より十分に低い。
なお、本実施例によればバッファ層としても機能するＤＢＲ反射層１２が介在することにより、比戟的高温でn形半導体層１４をＤＢＲ反射層12の上面に直接に形成することが可能になる。
【００２７】
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（ＴＭＩｎガス）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１４の上面にｐ形ＩｎＧａＮから成る発光層１５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。本実施形態では、ＴＭＧガスの流量を約１．１ｍmol ／min、ＮＨ3 ガスの流量を約６７ｍmol ／min、ＴＭＩｎガスの流量即ちＩｎの供給量を約４５μmol ／min、Ｃｐ2 Ｍｇガスの流量即ちＭｇの供給量を約１２ｎmol／minとした。また、発光層１５の厚みは約２０オングストローム、この不純物濃度は約３×１０17ｃｍ-3である。
【００２８】
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ガスを供給して発光層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。本実施形態では、この時のＴＭＧガスの流量を約４．３μmol ／min、アンモニアガスの流量を約５３．６ｍmol ／min、Ｃｐ2 Ｍｇガスの流量を約０．１２μmol ／minとした。なお、ｐ形半導体領域１６の厚みは約０．５μｍ、この不純物濃度は約３×１０18ｃｍ-3である。
【００２９】
続いて、原子状水素がｐ形ＧａＮ中に存在できない溶解安定化温度以上である１０５０℃の状態で、ＴＭＧを６３μｍｏｌ／minとシラン（ＳｉＨ4）を２１ｎｍｏｌ／minを流してｐ形ＧａＮから成るｐ形半導体領域１６上にｎ形ＧａＮを２５ｎｍ成長させる。このｎ形ＧａＮは図１に示すｎ形ＧａＮから成る電流制限層１７を得るためのものであって、p形ＧａＮから成るｐ形半導体領域１６への水素の溶解を防止する。
【００３０】
次に、このウエハを反応炉から取り出した後、フォトリソグラィ−と酸化を利用したガスエッチングを使用して、最上層のｎ形ＧａＮ層の一部を除去して、後に形成する第１の電極１９と概ね同じ平面形状を有するｎ形ＧａＮ電流制限層１７を図１に示すようにｐ形半導体領域１６の中央部に残存させる。ウエハを反応炉から取り出した時にウエハは原子状水素の溶解安定化温度以下に曝されるが、最上層のｎ形ＧａＮ層の存在によって原子状水素がｐ形半導体領域１６のｐ形ＧａＮに溶け込むことが防止できる。この結果、原子状水素がｐ形ＧａＮ系化合物中に安定して存在することが防止され、ｐ形不純物元素(アクセプタ元素)の活性化率が向上し、抵抗（比抵抗）の低いｐ形ＧａＮ系化合物半導体から成るｐ形半導体領域１６が得られる。
【００３１】
次に、残存するｎ形ＧａＮから成る電流制限層１７とその周囲に露出するｐ形半導体領域１６の上面に光透過性導電膜１８を形成し、更にｎ形ＧａＮ電流制限層１７の上面に光透過性導電膜１８を介して第１の電極１９を形成する。第１の電極１９の下側に配置されたｎ形ＧａＮ電流制限層１７は第１の電極の下部に電流が流れることを防止する電流ブロック層として機能する。なお、光透過性導電膜１８は、例えばニッケルと金とで形成し、第１の電極１９は金で形成する。
第２の電極２０は、例えばチタンとニッケルを周知の真空蒸着法等によって低抵抗性基板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たものである。
【００３２】
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、例えば第２の電極２０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、第１の電極１９を周知のワイヤボンディング方法等によって外部電極に対してワイヤで電気的に接続する。
【００３３】
本実施形態の青色発光ダイオードは次の効果を有する。
（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半導体基板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） 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低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂとを一組とする分布ブラッグ反射膜（ＤＢＲ膜）の複数から成るＤＢＲ反射層１２が形成されている。従って、発光層１５から基板１１の側に放出された光は、ＤＢＲ反射層１２によって基板１１の上面方向に反射される。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。
（３） Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎからなる低屈折率領域１２ａにシリコンが高濃度にドープされた高濃度層２１が形成されているため、低屈折率領域１２ａ全体の平均抵抗値即ち実効的な抵抗値が小さくなっている。このため、ＤＢＲ反射層１２を介して半導体基体の縦方向に流れる電流通路の抵抗を十分に小さくすることができ、消費電力及び動作電圧の小さな発光素子を実現できる。
（４） Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ｎからなる低屈折率領域１２ａにシリコンが低濃度にドープされた低濃度層２２が形成されているため、低抵抗化したにもかかわらず低屈折率領域１２ａの結晶性が比較的良好となる。したがってＤＢＲ反射層１２の上方に形成される窒化ガリウム系化合物半導体層の結晶性及び平坦性が良好となり、優れた発光特性を有する半導体発光素子を実現できる。
（５） 反射層１２は、ＡｌxＧａ1-xＮから成る低屈折率領域１２ａとＧａＮ又はＡｌyＧａ1-yＮから成る高屈折率領域１２ｂとの複合層であるので、バッファ層として有効に機能する。即ち、反射層１２の線膨張係数はシリコン又はこの化合物から成る基板１１の線膨張係数とGaN系化合物から成る半導体領域１３の線膨張係数との中間の値を有し、基板１１と半導体領域１３との熱膨張係数の差に起因する歪の発生を防止する。これにより、発光特性が向上する。
【００３４】
【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） 低屈折率領域１２ａのAl混晶比を0．5以外に設定しても良い。ただし、低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂとの間に屈折率差を持たせて十分な反射効率を得るためには、Alの混晶比ｘを0．2以上に設定することが望ましい。一方、Alの混晶比ｘが0．8を超えると低屈折率領域１２ａのドーピング効率が低下するので、Alの混晶比ｘは0・8以下に設定することが望ましい。
（２） 低濃度層２１の不純物濃度は、低屈折率領域１２ａの結晶性を良好にするために、約5×1018cm-3以下にするのがよい。高濃度層２２の不純物濃度は、低屈折率領域１２ａの抵抗値を低減する為に、1×1019cm-3以上にするのが良い。
（３） 低屈折率領域１２ａに形成する高濃度層２２の数は増減することができる。例えば、図４に示すように１つの低屈折率領域１２ａに単一の高濃度層２２を形成しても良い。また、3個以上の高濃度層２２を形成しても良い。なお、高濃度層２２を複数形成して、隣り合う低濃度層２１の厚みを量子力学的なトンネル効果が発生する程度に薄く形成すれば、低濃度層２１の不純物濃度を実質的に絶縁物とみなせるように十分に小さくしても低屈折率領域１２ａの低抵抗化が達成される。この結果、更なる結晶性の向上が期待される。
（４） 高屈折率領域１２ｂをA１yGa1-yN（但し、yはy＜ｘ及び0＜y＜1を満足する数値である。）で形成しても良い。この場合、高屈折率領域１２ｂにもＳｉ低濃度層とＳｉ高濃度層を形成すると良い。
（５） 図２の高屈折率領域１２ｂを組成の異なる複数の層で形成することができる。
（６） 上述の実施形態では低屈折率領域１２ａが２０層、高屈折率領域１２ｂが２０層、合計４０層のＤＢＲ反射層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反射層１２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。
（７） 基板１１を単結晶シリコン以外の導電性を有する多結晶シリコン、シリコン化合物で構成しても良い。
（８） 基板11、反射層１２及び半導体領域１３の各半導体の導電形を上述の実施形態と反対の導電形にすることもできる。
（９） 光透過性導電膜１８とｐ型半導体領域１６との間にｐ+形半導体領域等を介在させることができる。
（１１） 図５に示すように電流制限用ＧａＮ層１７及び光透過性導電膜１８を省いて第１の電極１９ａをｐ形半導体領域１６の一部に接続することができる。
（１２） 実施形態では、低屈折率領域１２ａの高濃度層２２と低濃度層２１にドナ−不純物としてＳｉをド−ピングした半導体発光素子を示したが、シリコンの代りにＳｅ（セレン）、Ｔｅ（テルル）、Ｓ（硫黄）、Ｏ（酸素）などのドナー不純物をド−ピングしても良い。但し、Ｓｅ、Ｔｅ、Ｓ、Ｏ等はＳｉに比べて、伝導帯から深いエネルギ−準位にドナ−レベルが形成されるため、ドナ−化率があまり良くない。このため、Ｓｉと同様のキャリア密度を得ようとすると、ドナ−不純物を高濃度にド−ピングする必要があり、結晶性の劣化を招く恐れがある。また、Ｓｉに比べて拡散定数が大きいため、ド−ピングすべき層以外にも不純物が拡散し、急峻なド−ピングプロファイルを作り込むのが難しい。従って、実施形態のように、ドナ−不純物としては、Ｓｉを使用することが最も望ましい。
（１３） 実施形態では、低屈折率領域１２ａの高濃度層２２と低濃度層２１にドナ−不純物としてのシリコンをド−ピングした半導体発光素子を示したが、低屈折率領域１２ａの高濃度層２２と低濃度層２１にドナ−不純物(シリコン)の代りにアクセプタ不純物をド−ピングした半導体発光素子としても良い。このアクセプタ不純物として、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｂｅ（ベリリウム）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｃｄ（カドミウム）、Ｃ（炭素）などが使用できる。ただし、Ｂｅ、Ｚｎ、Ｃｄ、Ｃ等はＭｇに比べて、価電子帯から深いレベルにアクセプタレベルが形成されるため、アクセプタ化率があまり良くない。このため、Ｍｇと同様のキャリア密度を得ようとすると、アクセプタ不純物を高濃度にド−ピングする必要があり、結晶性の劣化を招く恐れがある。従って、アクセプタ不純物としては、Ｍｇを使用することが最も望ましい。
（１４） 本発明は、垂直共振器型面発光レ−ザ等にも適用できる。垂直共振器型面発光レ−ザは、例えば特開平８−２１３６９３号公報に示されているように、発光層、第１導電形のクラッド層及び第２導電形のクラッド層を第１導電形のＤＢＲ反射膜と第２導電形のＤＢＲ反射膜で挟んだ構造を有する。本発明に基づいて、第１導電形のＤＢＲ反射膜と第２導電形のＤＢＲ反射膜の少なくとも一方のＤＢＲ反射膜の低屈折領域に、ドナ−不純物又はアクセプタ不純物が高濃度にド−ピングされた高濃度層とドナ−不純物又はアクセプタ不純物が低濃度にド−ピングされた低濃度層を形成することにより、低濃度層の結晶性の劣化を防いで消費電力及び動作電圧の低減化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態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反射層を詳しく示す断面図である。
【図３】図２の低屈折率領域の１つを詳しく示す断面図である。
【図４】変形例の低屈折率領域を示す断面図である。
【図５】変形例の発光素子の一部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 ＤＢＲ反射層
１２ａ 低屈折率領域
１２ｂ 高屈折率領域
１４ ｎ形半導体領域
１５ 発光層
１６ ｐ形半導体領域
２１ 低濃度層
２２ 高濃度層
Claims (5)
- 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基板と、
前記基板の一方の主面上に配置された反射層と、
発光機能を得るために前記反射層の上に配置された複数の窒化ガリウム系化合物層を含んでいる半導体領域と、
前記半導体領域の表面上に配置された第１の電極と、
前記基板の他方の主面に配置された第２の電極と
を備えており、
前記反射層は、Ａｌを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成り且つ小さい屈折率を有している低屈折率領域と、Ａｌを含まない又は前記低屈折率領域よりも低い割合でＡｌを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成り且つ前記低屈折率領域よりも大きい屈折率を有している高屈折率領域との複合体から成っており、
前記低屈折率領域はドナ−不純物又はアクセプタ不純物が高濃度にドーピングされた高濃度層とこの高濃度層よりも低い濃度にドナ−不純物又はアクセプタ不純物がドーピングされ且つ前記高濃度層よりも良い結晶性を有している低濃度層とを備えてい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前記高濃度層及び前記低濃度層は、ドナ−不純物又はアクセプタ不純物がドーピングされた
化学式 ＡｌxＧａ1-xＮ
ここで、ｘは０＜ｘ≦１を満足する数値、
で示すことができる材料から成り、
前記高屈折率領域は、ＧａＮ、又は
化学式 ＡｌyＧａ1-yＮ
ここで、ｙはｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を満足する数値、
で示すことができる材料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。 - 前記低屈折率領域の前記高濃度層及び前記低濃度層は、ドナ−不純物又はアクセプタ不純物がドーピングされた、
化学式 ＡｌxＧａ1-xＮ
ここで、ｘは０＜ｘ≦0.8を満足する数値、
で示すことができる材料から成ることを特徴とする請求項２記載の半導体発光素子。 - 前記低屈折率領域は、複数の前記低濃度層と単数又は複数の前記高濃度層とを有し、前記高濃度層と前記低濃度層とが交互に配置されていることを特徴とする請求項１又は２又は３記載の半導体発光素子。
- 前記反射層は、複数の前記低屈折率領域と複数の前記高屈折率領域とから成り、前記低屈折率領域と前記高屈折率領域とが交互に配置されていることを特徴とする請求項１又は２又は３又は４記載の半導体発光素子。
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