JP4041908B2 - 半導体発光素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子細線構造を有する半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、化合物半導体の量子細線（数１０ｎｍの線状結晶）を利用して低しきい値の半導体レ−ザ等を製作する試みが精力的になされている。例えば、応用物理学会誌 第６７巻 第７号 第７７６頁〜７８５頁には、数度のオフ基板即ちミラ−指数で示す結晶の面方位から傾いた表面を有する基板構造のＧａＡｓ半導体基板上に、ＩｎＧａＡｓ系の量子細線を形成した赤外レ−ザが開示されている。同文献に記載された技術によれば、自己組織化機構を利用して基板表面の材料の多段原子ステップ面に量子細線を形成できる為、量子細線構造の半導体発光素子を容易に製作することができる。即ち、基板表面に形成された原子ステップ（結晶表面の原子面の段差）を利用して量子細線を形成できるため、フォトリソグラフィ−とエッチングを使用して量子細線を形成する従来の方法に比較して、量子細線構造を有する半導体レ−ザを生産性良く製作できる利点がある。
【０００３】
【発明が解決使用とする課題】
しかし、窒化物系化合物半導体から成る発光機能層を備えた半導体発光素子を製作するためには、サファイアから成る基板材料の上に窒化物系化合物半導体領域を膜成長させる必要がある。サファイア基板上に、窒化物系化合物半導体領域を膜成長させるためには、一般的にサファイア基板上にアモルファス状の低温バッファ層を形成し、このバッファ層を介して発光機能層を構成する窒化物系化合物半導体領域
を形成する。
【０００４】
ところで、このアモルファス層は昇温中に結晶化し、このアモルファス層の上に積層形成される窒化物系化合物半導体層は結晶化したバッファ層の結晶方位を受け継いで膜成長される。即ち、積層される窒化物系化合物半導体層の方位や結晶性は、サファイア基板の影響よりも、アモルファス層が高温で結晶化した島状結晶の方位や結晶性の影響を大きく受ける。このため、上述のＩｎＧａＡｓ系の量子細線のようにオフ基板を使用しても、低温バッファ層の結晶方位を受け継いでしまう為、自己組織化機構を利用した量子細線の形成が困難であった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、自己組織化機構を利用した量子細線構造を有する窒化物系化合物半導体素子の製造法方法を提供することにある。
【０００６】
【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、
一方の主面がミラ−指数で示す結晶面方位の（１１１）面から［１１-０］方向又は［１-１０］方向又は［１-１-２］方向又は［１１２-］方向のいずれかに０．５〜５度の角度で傾斜しているシリコン基板を用意する工程と、
前記シリコン基板の一方の主面に、
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を０．５〜１０ｎｍの厚みに気相成長させて第１のバッファ層（図１の第１の層１２ａ）を得る工程と、
前記第１のバッファ層の上に
ＧａＮ又は化学式 ＡｌyＧａ1-yＮ
ここで、ｙは、ｙ＜ｘ
０＜ｙ＜１
を満足する数値、
で示すことができる材料を１０〜３００ｎｍの厚みに気相成長させて第２のバッファ層（図１の第２の層１２ｂ）を得る工程と、
前記第２のバッファ層の上に量子細線を有する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気相成長法によって形成する工程と
を有していることを特徴とする半導体発光素子の製造方法に係るものである。
なお、本願発明においては、ミラ−指数で示す結晶面方位の表記を簡単にするために、１の反転を１-，２の反転を２-で示すことにする。
【０００７】
【発明の効果】
本発明は次の効果を有する。
（イ）一方の主面がミラ−指数で示す結晶面方位の（１１１）面から［１１ - ０］方向又は［１ - １０］方向又は［１ - １ - ２］方向又は［１１２ - ］方向のいずれかに０．５〜５度の角度で傾斜しているシリコン基板に、化学式Ａｌ x Ｇａ 1-x Ｎで示すことができる材料を０．５〜１０ｎｍの厚みに気相成長させて第１のバッファ層を得、次にＧａＮ又は化学式Ａｌ y Ｇａ 1-y Ｎで示すことができる材料を１０〜３００ｎｍの厚みに気相成長させて第２のバッファ層を得、しかる後、発光機能を有する複数の窒化物系化合物半導体層を形成する。このため、シリコン基板の結晶方位を引き継いだバッファ層及び発光機能半導体層が得られる。即ち、シリコン基板がオフオリエンテ−ション基板であるので、シリコン基板の表面が原子ステップを有し、バッファ層及び発光機能半導体層も原子ステップを有し、量子細線が生じる。この結果、量子細線を有する発光機能半導体層を容易且つ良好に形成することができる。
（ロ） 第１のバッファ層と第２のバッファ層との積層から成るバッファ層を介して発光機能半導体層を形成すると、発光機能半導体層の結晶性が良くなる。
（ハ） 第１のバッファ層は０．５〜１０ｎｍの厚みに形成されているので量子力学的なトンネル効果を得ることができる。これにより、バッファ層の抵抗の増大を抑えることができる。
（ニ） シリコン基板と窒化物系化合物半導体から成る発光機能半導体層との熱膨張係数の差に起因する歪みの発生を抑制できる。即ち、シリコンの熱膨張係数と窒化物系化合物半導体の熱膨張係数とは大きく相違するため、両者を直接に積層すると熱膨張係数差に起因する歪みが発生し易い。しかし、第１のバッファ層はＡｌ x Ｇａ 1-x Ｎ、こでｘは、０＜ｘ≦１満足する数値、で示すことができる材料からなり、この第１のバッファ層の熱膨張係数はシリコン基板の熱膨張係数と発光機能半導体層の熱膨張係数との中間値を有する。また、第１のバッファ層と第２のバッファ層との複合層から成るバッファ層の平均的な熱膨張係数はシリコン基板の熱膨張係数と発光機能半導体層の熱膨張係数との中間値を有する。このため、この第１及び第２のバッファ層によってシリコン基板と発光機能半導体層との熱膨張係数の差に起因する歪みの発生を抑制することができる。
【０００８】
【第１の実施形態】
次に、図１及び図２を参照して本発明の１実施形態に係わる３−５族化合物半導体発光素子としての窒化ガリウム系化合物青色レ−ザダイオードを説明する。
【０００９】
図１及び図２に示す本発明の実施形態に従う青色レ−ザダイオードは、発光機能を得るための複数の窒化ガリウム系化合物半導体層から成る半導体領域１０と、シリコン半導体から成るサブストレート即ち基板１１と、バッファ層１２とを有している。発光機能を有する半導体領域１０は、ＧａＮ（窒化ガリウム）から成る第１の半導体層としてのｎ形半導体層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の半導体層としてのＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体層１５とから成る。基板１１とバッファ層１２と発光機能を有する半導体領域１０との積層体から成る基体１６の一方の主面（上面）即ちｐ形半導体層１５の表面上に第１の電極としてのアノード電極１７が配置され、この基体１６の他方の主面（下面）即ち基板１１の他方の主面に第２の電極としてのカソード電極１８が配置されている。バッファ層１２、ｎ形半導体層１３、活性層１４、及びｐ形半導体層１５は、基板１１の上に順次にそれぞれの結晶方位を揃えてエピタキシャル成長させたものである。
【００１０】
基板１１は、導電形決定不純物としてＡｓ(砒素)を含むｎ+形シリコン単結晶から成る。このシリコン基板１１は低指数結晶面から小さな角度で傾斜させた表面を有するオフオリエンテ−ション基板である。具体的には、図３及び図５（Ａ）に示すように基板１１のバッファ層１２が配置される側の主面１１ａは、ミラ−指数で示す結晶の面方位において（１１１）面から［１１-０］方向に約５度傾斜させた面である。ここで１-は既に説明したよう１の反転を示す。従って、基板１１の一方の主面１１ａは図３に概略的に示すように多数のステップとテラスとが交互に形成された表面（以下「多段ステップ面」という）を構成している。また、この基板１１の不純物濃度は、５×１０18ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3程度であり、この基板１１の抵抗率は０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍ程度である。抵抗率が比較的低い基板１１はアノ−ド電極１７とカソード電極１８との間の電流通路として機能する。また、基板１１は、比較的厚い約３５０μｍの厚みを有し、ｐ形半導体層１５、活性層１４及びｎ形半導体層１３から成る発光機能を有する半導体領域１０及びバッファ層１２の支持体として機能する。
【００１１】
基板１１の一方の主面全体を被覆するように配置されたバッファ層１２は、複数の第１の層１２ａと複数の第２の層１２ｂとが交互に積層された複合層から成る。図１及び図２では、図示の都合上、バッファ層１２が２つの第１の層１２ａと２つの第２の層１２ｂとで示されているが、
実際には、バッファ層１２は、１０個の第１の層１２ａと１０個の第２の層１２ｂとを有する。
【００１２】
第１の層１２ａは、
化学式 ＡｌxＧａ1-xＮ
ここで、ｘは０＜ｘ≦１を満足する任意の数値、
で示すことができる材料で形成される。即ち、第１の層１２ａは、ＡｌＮ(窒化アルミニウム)又はＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）で形成される。図１及び図２の実施形態では、前記式のｘが１とされた材料に相当するＡｌＮ（窒化アルミニウム）が第１の層１２ａに使用されている。第１の層１２ａは、絶縁性を有する極薄い膜である。第１の層１２ａの格子定数及び熱膨張係数は第２の層１２ｂよりもシリコン基板１１に近い。従って、第１の層１１ａは第２の層１２ｂよりもバッファ作用が大きい。
【００１３】
第２の層１２ｂは、ＧａＮ（窒化ガリウム）又は
化学式ＡｌyＧａ1-yＮ
ここで、ｙは、ｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を満足する任意の数値、で示すことができる材料から成るｎ形半導体の極く薄い膜である。第２の層１２ｂとしてＡｌyＧａ1-yＮから成るｎ形半導体を使用する場合には、第２の層１２ｂの電気抵抗の増大を抑えるために、ｙを０＜ｙ＜０．８を満足する値即ち０よりも大きく且つ０．８よりも小さくすることが望ましい。第２の層１２ｂは第１の層１２ａの電気的接続導電体又は半導体として機能する。
【００１４】
バッファ層１２の第１の層１２ａの厚みは、好ましくは0.5ｎｍ〜10ｎｍ即ち５〜１００オングストロ−ム、より好ましくは１ｎｍ〜８ｎｍである。第１の層１２ａの厚みが0.5ｎｍ未満の場合にはバッファ層１２の上面に形成されるｎ形半導体領域１３の結晶性が良好に保てなくなる。第１の層１２ａの厚みが10ｎｍを超えると、量子力学的トンネル効果を良好に得ることができなくなり、バッファ層１２の電気的抵抗が増大する。
【００１５】
第２の層１２ｂの厚みは、好ましくは５ｎｍ〜２０００ｎｍ即ち５０〜２００００オングストロ−ムであり、より好ましくは１０ｎｍ〜３００ｎｍである。第２の層１２ｂの厚みが１０ｎｍ未満の場合には、基板１１と第２の層１２ｂとの間のエネルギバンドの不連続性が比較的大きくなり、発光素子の動作時のアノード電極１７とカソード電極１８との間の抵抗及び電圧Ｖfが比較的大きくなる。また、第２の層１２ｂの厚みが１０ｎｍ未満の場合には、第２の層１２ｂの上に形成される一方の第１の層１１ａと第２の層１２ｂの下に形成される他方の第１の層１１ａとの間の電気的接続が良好に達成されず、バッファ層１２の電気的抵抗が増大する。第２の層１２ｂの厚みが３００ｎｍを超えた場合には、バッファ層12全体に対する第１の層１１ａの割合が低下し、バッファ機能が相対的に小さくなり、半導体領域１０の結晶性が良好に保てなくなる。
【００１６】
バッファ層１２を構成する第１の層１２ａと第２の層１２ｂは、いずれも基板１１の一方の主面１１ａの表面状態を引き継いで形成される。このため、第１の層１２ａ及び第２の層１２ｂの表面は、多数のステップとテラスとが交互に形成された表面（以下「多段ステップ面」という）を構成している。結果として、バッファ層１２の一方の主面は、基板１１の一方の主面と同じ多段ステップ面となっている。ただし、バッファ層１２の一方の主面におけるテラスの幅は、シリコン基板１１の一方の主面におけるテラスの幅よりも小さいこともある。
【００１７】
バッファ層１２の一方の主面には、厚み約０．２μｍのｎ形ＧａＮから成るｎ形半導体層１３が形成されている。このｎ形半導体層１３は、バッファ層１２の一方の主面の表面状態を引き継いで形成されるため、その一方の主面は多数のステップとテラスとが交互に形成された表面（以下「多段ステップ面」という）を構成している。
【００１８】
ｎ形半導体層１３の一方の主面には、厚み約２ｎｍ即ち２０オングストロ−ムのｐ形ＩｎＧａＮから成る活性層１４が形成されている。この活性層１４はｎ形半導体層１３の一方の主面の表面状態を引き継いで形成されるため、その一方の主面は多数のステップとテラスとが交互に形成された表面（以下「多段ステップ面」という）を構成している。この結果、膜厚が２ｎｍ程度の薄い活性層１４では、ステップ端を利用した多数の量子細線は形成されている。
【００１９】
活性層１４の一方の主面には、厚み約０．２μｍのｐ形ＧａＮから成るｐ形半導体層１５が形成されている。このｐ形半導体層１５も、活性層１４の一方の主面の表面状態を引き継いで形成されるため、その一方の主面には多数のステップとテラスとが交互に形成された表面（以下「多段ステップ面」という）を構成している。
【００２０】
次に、図１の半導体発光の製造方法について説明する。
まず、図５（Ａ）に示すｎ形不純物が導入されたｎ+形シリコン半導体から成る基板１１を用意する。量子細線を形成するための基板１１の一方の主面は、ミラ−指数で示す結晶の面方位において（１１１）面から［１１-０］方向に５度傾斜させた面となっている。従って、基板１１の一方の主面１１ａは、多段ステップ面となっている。
【００２１】
次に、図５（Ｂ）に示すように基板１１の主面１１ａ上にバッファ層１２を形成する。このバッファ層１２は、周知のＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）即ち有機金属化学気相成長法によってＡｌＮから成る第１の層１２ａとＧａＮから成る第２の層１２ｂとを繰返して積層することによって形成する。即ち、シリコン単結晶の基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置し、まず、サーマルアニーリングを施して表面の酸化膜を除去する。次に、反応室内にＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスとＮＨ3 （アンモニア）ガスを約２４秒間供給して、基板１１の一方の主面に厚さ約５ｎｍのＡｌＮ層から成る第１の層１２ａを形成する。本実施例では基板１１の加熱温度を１１２０℃とした後に、ＴＭＡガスの流量即ちＡｌの供給量を約６３μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ3 ガスの流量即ちＮＨ3 の供給量を約０．１４ｍｏｌ／ｍｉｎとした。続いて、基板１１の加熱温度を１１２０℃とし、ＴＭＡガスの供給を止めてから反応室内にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスとＮＨ3 （アンモニア）ガスとＳｉＨ4 （シラン）ガスを約８３秒間供給して、基板１１の一方の主面に形成された上記ＡｌＮから成る第１の層１２ａの上面に、厚さ約３０ｎｍのｎ形のＧａＮから成る第２の層１２ｂを形成する。ここで、ＳｉＨ4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、ＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量を約６３μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ3 ガスの流量即ちＮＨ3 の供給量を約０．１４ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ4 ガスの流量即ちＳｉの供給量を約２１ｎｍｏｌ／ｍｉｎとした。本実施例では、上述のＡｌＮから成る第１の層１２ａとＧａＮから成る第２の層１２ｂの形成を１０回繰り返してＡｌＮから成る第１の層１２ａとＧａＮから成る第２の層１２ｂとが交互に２０層積層されたバッファ層１２を形成する。勿論ＡｌＮから成る第１の層１２ａ、ＧａＮから成る第２の層１２ｂをそれぞれ５０層等の任意の数に変えることもできる。第１の層１２ａと第２の層１２ｂは、基板１１の一方の主面の表面状態を引き継いで膜成長するため、バッファ層１２の一方の主面は多段ステップ面となっている。
【００２２】
次に、バッファ層１２の上面に周知のＭＯＣＶＤ法によってｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ形半導体層１５を順次連続して形成する。
即ち、上面にバッファ層１２が形成された基板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ｎ形半導体層１３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。本実施例ではバッファ層１２が形成された基板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 ／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とした。また、本実施例では、ｎ形半導体層１３の厚みを約０．２μｍとした。従来の一般的発光ダイオードの場合には、ｎ形半導体層の厚みが約４．０〜５．０μｍであるから、これに比べて図１の本実施例のｎ形半導体層１３はかなり肉薄に形成されている。また、ｎ形半導体層１３の不純物濃度は約３×１０18ｃｍ-3であり、基板１１の不純物濃度よりは十分に低い。尚、本実施例によればバッファ層１２が介在しているので、１０４０℃のような比較的高い温度でｎ形半導体層１３を形成することが可能になる。このｎ形半導体層１３もバッファ層１２の一方の主面状態を受け継いで膜成長するため、その一方の主面は多段ステップ面となっている。
【００２３】
続いて、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形半導体層１３の上面にｐ形ＩｎＧａＮ（窒化インジウム ガリウム）から成る活性層１４を形成する。ここで、Ｃｐ2 Ｍｇガスは活性層１４中にｐ形導電形の不純物としてのＭｇ（マグネシウム）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 ／ｍｉｎ、ＮＨ3ガスの流量を約６７ｍmol ／ｍｉｎ、ＴＭＩガスの流量即ちＩｎの供給量を約４．５μmol ／ｍｉｎ、Ｇｐ2 Ｍｇガスの流量即ちＭｇの供給量を約１２ｎmol ／ｍｉｎとした。また、活性層１４の厚みは約２ｎｍ即ち２０オングストロ−ムとした。なお、活性層１４の不純物濃度は約３×１０17ｃｍ-3である。活性層１４は、この下側のｎ形半導体層１３又はバッファ層１２を介して基板１１の一方の主面の表面状態を引き継いで形成される。このため、活性層１４の一方の主面は、多数のステップと多数のテラスとが交互に形成された多段ステップ面を構成している。
【００２４】
続いて、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（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体層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 ／ｍｉｎ、アンモニアガスの流量を約５３．６μmol ／ｍｉｎ、Ｃｐ2 Ｍｇガスの流量を約０．１２μmol ／ｍｉｎとした。また、ｐ形半導体層１５の厚みは約０．２μｍとした。なお、ｐ形半導体層１５の不純物濃度は約３×１０18ｃｍ-3である。このｐ形半導体層１５の一方の主面も多段ステップ面となる。
【００２５】
上記のＭＯＣＶＤ成長方法によれば、シリコン単結晶から成る基板１１の結晶方位を良好に引き継いでいるバッファ層１２を形成することができる。また、バッファ層１２の結晶方位に対してｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ形半導体層１５の結晶方位を揃えることができる。この結果、良好な結晶性を有し、且つ基板１１の多段ステップ面を良好に引き継いだｎ形半導体１３、活性層１４及びｐ形半導体層１５が得られる。
【００２６】
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の上面即ちｐ形半導体層１５の上面に付着させることによって形成し、ｐ形半導体層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。
【００２７】
第２の電極としてのカソード電極１８は、ｎ形半導体層１３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の下面全体に形成する。
【００２８】
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。
【００２９】
本実施形態の青色レ−ザダイオードによれば、次の効果が得られる。
（１） 基板１１の一方の主面に形成された格子定数がシリコンとＧａＮとの間の値を有するＡｌＮから成る第１の層１２ａは、シリコンから成る基板１１の結晶方位を良好に引き継ぐことができる。この結果、バッファ層１２の一方の主面に、ｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ形半導体層１５からなるＧａＮ系半導体領域１０を結晶方位を揃えて良好に形成することができる。このため、ＧａＮ系半導体領域１０の特性が良くなり、発光特性も良くなる。また、ＧａＮ系半導体領域１０はオフ基板１１のステップ表面を引き継ぐので多段ステップなり、量子細線を容易且つ良好に得ることができ、低しきい値のレ−ザダイオ−ドを容易に得ることができる。
（２） 第１の層１２ａと第２の層１２ｂが複数積層されて成るバッファ層１２を介して半導体領域１０を形成すると、半導体領域１０の結晶性が良くなる。即ち、シリコンから成る基板１１の一方の主面に、もしＧａＮ半導体層のみによって構成されたバッファ層を形成した場合、シリコンとＧａＮとは格子定数の差が大きいため、このバッファ層の上面に結晶性に優れたＧａＮ系半導体領域を形成することはできない。また、比較的厚いAlNのみでバッファ層を形成すると、バッファ層の抵抗が大きくなる。また、比較的薄いAlNのみでバッファ層を形成すると、十分なバッファ機能が得られない。これに対し、本実施例では、基板１１とＧａＮ系半導体領域１０との間にシリコンとの格子定数差が比較的小さいＡｌＮから成る複数の第１の層１２ａが介在し、且つ第1の層１２ａの相互間に第２の層１２ｂが介在した複合構造のバッファ層１２が設けられている。このため、バッファ層12の上に結晶性の良いＧａＮ系半導体領域１０を形成することができる。この結果、ＧａＮ系半導体領域１０の発光特性が良くなる。
（３） バッファ層１２に含まれている複数の第１の層１２ａのそれぞれが量子力学的なトンネル効果の生じる厚さに設定されているので、バッファ層１２の抵抗の増大を抑えることができる。
（４） 基板１１とＧａＮ系半導体領域１０との熱膨張係数の差に起因する歪みの発生を抑制できる。即ち、シリコンの熱膨張係数とＧａＮの熱膨張係数とは大きく相違するため、両者を直接に積層すると熱膨張係数差に起因する歪みが発生し易い。しかし、本実施例のＡｌＮからなる第１の層１２ａの熱膨張係数は基板１１の熱膨張係数とＧａＮ系半導体領域１０の熱膨張係数との中間値を有する。また。第１の層１２ａと第２の層１２ｂとの複合層から成るバッファ層１２の平均的な熱膨張係数は基板１１の熱膨張係数とＧａＮ系半導体領域１０の熱膨張係数との中間値を有する。このため、このバッファ層１２によって基板１１とＧａＮ半導体領域１０との熱膨張係数の差に起因する歪みの発生を抑制することができる。
【００３０】
【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） 半導体基体１６の各層の導電形を実施例と逆にすることができる。
（２） ｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ形半導層１５のそれぞれを、複数の半導体層の組み合せで構成することができる。
（３） ｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ形半導層１５のそれぞれの材料を、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）、ＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム）、及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム アルミニウム）から選択された窒化ガリウム系化合物半導体又は窒化インジウム系化合物半導体とすることができる。
（４） ｎ形半導体層１３を省いてバッファ層１２の上にＧａＩｎＮから成る活性層１４を直接に接触させることができる。これにより、肉厚のＡｌＧａＮクラッド層を介在させて活性層１４を形成する場合に比較して活性層１４に加わる引っ張り応力が緩和される。このため、活性層１４の結晶性が良好となり、発光素子の発光特性が更に良好に得られる。
（５） アノ−ド電極１７の下にオ−ミックコンタクトのためのＰ+形半導体領域即ちコンタクト層を設けることができる。また、ｐ形半導体領域１５とアノ−ド電極１７との間に周知の電流拡散層、電流ブロック層を設けることができる。
（６） アノ−ド電極１７を透明電極とパット電極との組み合せとで構成することができる。
（７） バッファ層１２の第１の層１２ａの数を第２の層１２ｂよりも１層多くしてバッファ層12の最上層を第1の層１２ａとすることができる。また、逆に第2の層１２ｂの数を第1の層１２ａの数よりも1層多くすることもできる。
（８） 第１の層１２ａ及び第２の層１２ｂは、これらの機能を阻害しない範囲で不純物を含むものであってもよい。
（９） 基板１１を、単結晶シリコン以外の多結晶シリコン又はＳｉＣ等のシリコン化合物とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態に従うのレ−ザダイオードを示す中央縦断面図である。
【図２】図１のレ−ザダイオードの斜視図である。
【図３】図１の基板の表面を拡大して概略的に示す斜視図である。
【図４】図２の一部を拡大して量子細線を概略的に示す斜視図である。
【図５】図１のレ−ザダイオ−ドの構造を製造工程順に拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１０ ＧａＮ系半導体領域
１１ シリコン単結晶から成る基板
１２ バッファ層
１２ａ ＡｌＮから成る第１の層
１２ｂ ＧａＮから成る第２の層
１３ ｎ形半導体層
１４ 活性層
１５ ｐ形半導体層
１６ 基体
１８ アノード電極
１９ カソード電極
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子細線構造を有する半導体発光素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、化合物半導体の量子細線（数１０ｎｍの線状結晶）を利用して低しきい値の半導体レ−ザ等を製作する試みが精力的になされている。例えば、応用物理学会誌 第６７巻 第７号 第７７６頁〜７８５頁には、数度のオフ基板即ちミラ−指数で示す結晶の面方位から傾いた表面を有する基板構造のＧａＡｓ半導体基板上に、ＩｎＧａＡｓ系の量子細線を形成した赤外レ−ザが開示されている。同文献に記載された技術によれば、自己組織化機構を利用して基板表面の材料の多段原子ステップ面に量子細線を形成できる為、量子細線構造の半導体発光素子を容易に製作することができる。即ち、基板表面に形成された原子ステップ（結晶表面の原子面の段差）を利用して量子細線を形成できるため、フォトリソグラフィ−とエッチングを使用して量子細線を形成する従来の方法に比較して、量子細線構造を有する半導体レ−ザを生産性良く製作できる利点がある。
【０００３】
【発明が解決使用とする課題】
しかし、窒化物系化合物半導体から成る発光機能層を備えた半導体発光素子を製作するためには、サファイアから成る基板材料の上に窒化物系化合物半導体領域を膜成長させる必要がある。サファイア基板上に、窒化物系化合物半導体領域を膜成長させるためには、一般的にサファイア基板上にアモルファス状の低温バッファ層を形成し、このバッファ層を介して発光機能層を構成する窒化物系化合物半導体領域
を形成する。
【０００４】
ところで、このアモルファス層は昇温中に結晶化し、このアモルファス層の上に積層形成される窒化物系化合物半導体層は結晶化したバッファ層の結晶方位を受け継いで膜成長される。即ち、積層される窒化物系化合物半導体層の方位や結晶性は、サファイア基板の影響よりも、アモルファス層が高温で結晶化した島状結晶の方位や結晶性の影響を大きく受ける。このため、上述のＩｎＧａＡｓ系の量子細線のようにオフ基板を使用しても、低温バッファ層の結晶方位を受け継いでしまう為、自己組織化機構を利用した量子細線の形成が困難であった。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、自己組織化機構を利用した量子細線構造を有する窒化物系化合物半導体素子の製造法方法を提供することにある。
【０００６】
【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、
一方の主面がミラ−指数で示す結晶面方位の（１１１）面から［１１-０］方向又は［１-１０］方向又は［１-１-２］方向又は［１１２-］方向のいずれかに０．５〜５度の角度で傾斜しているシリコン基板を用意する工程と、
前記シリコン基板の一方の主面に、
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を０．５〜１０ｎｍの厚みに気相成長させて第１のバッファ層（図１の第１の層１２ａ）を得る工程と、
前記第１のバッファ層の上に
ＧａＮ又は化学式 ＡｌyＧａ1-yＮ
ここで、ｙは、ｙ＜ｘ
０＜ｙ＜１
を満足する数値、
で示すことができる材料を１０〜３００ｎｍの厚みに気相成長させて第２のバッファ層（図１の第２の層１２ｂ）を得る工程と、
前記第２のバッファ層の上に量子細線を有する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気相成長法によって形成する工程と
を有していることを特徴とする半導体発光素子の製造方法に係るものである。
なお、本願発明においては、ミラ−指数で示す結晶面方位の表記を簡単にするために、１の反転を１-，２の反転を２-で示すことにする。
【０００７】
【発明の効果】
本発明は次の効果を有する。
（イ）一方の主面がミラ−指数で示す結晶面方位の（１１１）面から［１１ - ０］方向又は［１ - １０］方向又は［１ - １ - ２］方向又は［１１２ - ］方向のいずれかに０．５〜５度の角度で傾斜しているシリコン基板に、化学式Ａｌ x Ｇａ 1-x Ｎで示すことができる材料を０．５〜１０ｎｍの厚みに気相成長させて第１のバッファ層を得、次にＧａＮ又は化学式Ａｌ y Ｇａ 1-y Ｎで示すことができる材料を１０〜３００ｎｍの厚みに気相成長させて第２のバッファ層を得、しかる後、発光機能を有する複数の窒化物系化合物半導体層を形成する。このため、シリコン基板の結晶方位を引き継いだバッファ層及び発光機能半導体層が得られる。即ち、シリコン基板がオフオリエンテ−ション基板であるので、シリコン基板の表面が原子ステップを有し、バッファ層及び発光機能半導体層も原子ステップを有し、量子細線が生じる。この結果、量子細線を有する発光機能半導体層を容易且つ良好に形成することができる。
（ロ） 第１のバッファ層と第２のバッファ層との積層から成るバッファ層を介して発光機能半導体層を形成すると、発光機能半導体層の結晶性が良くなる。
（ハ） 第１のバッファ層は０．５〜１０ｎｍの厚みに形成されているので量子力学的なトンネル効果を得ることができる。これにより、バッファ層の抵抗の増大を抑えることができる。
（ニ） シリコン基板と窒化物系化合物半導体から成る発光機能半導体層との熱膨張係数の差に起因する歪みの発生を抑制できる。即ち、シリコンの熱膨張係数と窒化物系化合物半導体の熱膨張係数とは大きく相違するため、両者を直接に積層すると熱膨張係数差に起因する歪みが発生し易い。しかし、第１のバッファ層はＡｌ x Ｇａ 1-x Ｎ、こでｘは、０＜ｘ≦１満足する数値、で示すことができる材料からなり、この第１のバッファ層の熱膨張係数はシリコン基板の熱膨張係数と発光機能半導体層の熱膨張係数との中間値を有する。また、第１のバッファ層と第２のバッファ層との複合層から成るバッファ層の平均的な熱膨張係数はシリコン基板の熱膨張係数と発光機能半導体層の熱膨張係数との中間値を有する。このため、この第１及び第２のバッファ層によってシリコン基板と発光機能半導体層との熱膨張係数の差に起因する歪みの発生を抑制することができる。
【０００８】
【第１の実施形態】
次に、図１及び図２を参照して本発明の１実施形態に係わる３−５族化合物半導体発光素子としての窒化ガリウム系化合物青色レ−ザダイオードを説明する。
【０００９】
図１及び図２に示す本発明の実施形態に従う青色レ−ザダイオードは、発光機能を得るための複数の窒化ガリウム系化合物半導体層から成る半導体領域１０と、シリコン半導体から成るサブストレート即ち基板１１と、バッファ層１２とを有している。発光機能を有する半導体領域１０は、ＧａＮ（窒化ガリウム）から成る第１の半導体層としてのｎ形半導体層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の半導体層としてのＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体層１５とから成る。基板１１とバッファ層１２と発光機能を有する半導体領域１０との積層体から成る基体１６の一方の主面（上面）即ちｐ形半導体層１５の表面上に第１の電極としてのアノード電極１７が配置され、この基体１６の他方の主面（下面）即ち基板１１の他方の主面に第２の電極としてのカソード電極１８が配置されている。バッファ層１２、ｎ形半導体層１３、活性層１４、及びｐ形半導体層１５は、基板１１の上に順次にそれぞれの結晶方位を揃えてエピタキシャル成長させたものである。
【００１０】
基板１１は、導電形決定不純物としてＡｓ(砒素)を含むｎ+形シリコン単結晶から成る。このシリコン基板１１は低指数結晶面から小さな角度で傾斜させた表面を有するオフオリエンテ−ション基板である。具体的には、図３及び図５（Ａ）に示すように基板１１のバッファ層１２が配置される側の主面１１ａは、ミラ−指数で示す結晶の面方位において（１１１）面から［１１-０］方向に約５度傾斜させた面である。ここで１-は既に説明したよう１の反転を示す。従って、基板１１の一方の主面１１ａは図３に概略的に示すように多数のステップとテラスとが交互に形成された表面（以下「多段ステップ面」という）を構成している。また、この基板１１の不純物濃度は、５×１０18ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3程度であり、この基板１１の抵抗率は０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍ程度である。抵抗率が比較的低い基板１１はアノ−ド電極１７とカソード電極１８との間の電流通路として機能する。また、基板１１は、比較的厚い約３５０μｍの厚みを有し、ｐ形半導体層１５、活性層１４及びｎ形半導体層１３から成る発光機能を有する半導体領域１０及びバッファ層１２の支持体として機能する。
【００１１】
基板１１の一方の主面全体を被覆するように配置されたバッファ層１２は、複数の第１の層１２ａと複数の第２の層１２ｂとが交互に積層された複合層から成る。図１及び図２では、図示の都合上、バッファ層１２が２つの第１の層１２ａと２つの第２の層１２ｂとで示されているが、
実際には、バッファ層１２は、１０個の第１の層１２ａと１０個の第２の層１２ｂとを有する。
【００１２】
第１の層１２ａは、
化学式 ＡｌxＧａ1-xＮ
ここで、ｘは０＜ｘ≦１を満足する任意の数値、
で示すことができる材料で形成される。即ち、第１の層１２ａは、ＡｌＮ(窒化アルミニウム)又はＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）で形成される。図１及び図２の実施形態では、前記式のｘが１とされた材料に相当するＡｌＮ（窒化アルミニウム）が第１の層１２ａに使用されている。第１の層１２ａは、絶縁性を有する極薄い膜である。第１の層１２ａの格子定数及び熱膨張係数は第２の層１２ｂよりもシリコン基板１１に近い。従って、第１の層１１ａは第２の層１２ｂよりもバッファ作用が大きい。
【００１３】
第２の層１２ｂは、ＧａＮ（窒化ガリウム）又は
化学式ＡｌyＧａ1-yＮ
ここで、ｙは、ｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を満足する任意の数値、で示すことができる材料から成るｎ形半導体の極く薄い膜である。第２の層１２ｂとしてＡｌyＧａ1-yＮから成るｎ形半導体を使用する場合には、第２の層１２ｂの電気抵抗の増大を抑えるために、ｙを０＜ｙ＜０．８を満足する値即ち０よりも大きく且つ０．８よりも小さくすることが望ましい。第２の層１２ｂは第１の層１２ａの電気的接続導電体又は半導体として機能する。
【００１４】
バッファ層１２の第１の層１２ａの厚みは、好ましくは0.5ｎｍ〜10ｎｍ即ち５〜１００オングストロ−ム、より好ましくは１ｎｍ〜８ｎｍである。第１の層１２ａの厚みが0.5ｎｍ未満の場合にはバッファ層１２の上面に形成されるｎ形半導体領域１３の結晶性が良好に保てなくなる。第１の層１２ａの厚みが10ｎｍを超えると、量子力学的トンネル効果を良好に得ることができなくなり、バッファ層１２の電気的抵抗が増大する。
【００１５】
第２の層１２ｂの厚みは、好ましくは５ｎｍ〜２０００ｎｍ即ち５０〜２００００オングストロ−ムであり、より好ましくは１０ｎｍ〜３００ｎｍである。第２の層１２ｂの厚みが１０ｎｍ未満の場合には、基板１１と第２の層１２ｂとの間のエネルギバンドの不連続性が比較的大きくなり、発光素子の動作時のアノード電極１７とカソード電極１８との間の抵抗及び電圧Ｖfが比較的大きくなる。また、第２の層１２ｂの厚みが１０ｎｍ未満の場合には、第２の層１２ｂの上に形成される一方の第１の層１１ａと第２の層１２ｂの下に形成される他方の第１の層１１ａとの間の電気的接続が良好に達成されず、バッファ層１２の電気的抵抗が増大する。第２の層１２ｂの厚みが３００ｎｍを超えた場合には、バッファ層12全体に対する第１の層１１ａの割合が低下し、バッファ機能が相対的に小さくなり、半導体領域１０の結晶性が良好に保てなくなる。
【００１６】
バッファ層１２を構成する第１の層１２ａと第２の層１２ｂは、いずれも基板１１の一方の主面１１ａの表面状態を引き継いで形成される。このため、第１の層１２ａ及び第２の層１２ｂの表面は、多数のステップとテラスとが交互に形成された表面（以下「多段ステップ面」という）を構成している。結果として、バッファ層１２の一方の主面は、基板１１の一方の主面と同じ多段ステップ面となっている。ただし、バッファ層１２の一方の主面におけるテラスの幅は、シリコン基板１１の一方の主面におけるテラスの幅よりも小さいこともある。
【００１７】
バッファ層１２の一方の主面には、厚み約０．２μｍのｎ形ＧａＮから成るｎ形半導体層１３が形成されている。このｎ形半導体層１３は、バッファ層１２の一方の主面の表面状態を引き継いで形成されるため、その一方の主面は多数のステップとテラスとが交互に形成された表面（以下「多段ステップ面」という）を構成している。
【００１８】
ｎ形半導体層１３の一方の主面には、厚み約２ｎｍ即ち２０オングストロ−ムのｐ形ＩｎＧａＮから成る活性層１４が形成されている。この活性層１４はｎ形半導体層１３の一方の主面の表面状態を引き継いで形成されるため、その一方の主面は多数のステップとテラスとが交互に形成された表面（以下「多段ステップ面」という）を構成している。この結果、膜厚が２ｎｍ程度の薄い活性層１４では、ステップ端を利用した多数の量子細線は形成されている。
【００１９】
活性層１４の一方の主面には、厚み約０．２μｍのｐ形ＧａＮから成るｐ形半導体層１５が形成されている。このｐ形半導体層１５も、活性層１４の一方の主面の表面状態を引き継いで形成されるため、その一方の主面には多数のステップとテラスとが交互に形成された表面（以下「多段ステップ面」という）を構成している。
【００２０】
次に、図１の半導体発光の製造方法について説明する。
まず、図５（Ａ）に示すｎ形不純物が導入されたｎ+形シリコン半導体から成る基板１１を用意する。量子細線を形成するための基板１１の一方の主面は、ミラ−指数で示す結晶の面方位において（１１１）面から［１１-０］方向に５度傾斜させた面となっている。従って、基板１１の一方の主面１１ａは、多段ステップ面となっている。
【００２１】
次に、図５（Ｂ）に示すように基板１１の主面１１ａ上にバッファ層１２を形成する。このバッファ層１２は、周知のＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）即ち有機金属化学気相成長法によってＡｌＮから成る第１の層１２ａとＧａＮから成る第２の層１２ｂとを繰返して積層することによって形成する。即ち、シリコン単結晶の基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置し、まず、サーマルアニーリングを施して表面の酸化膜を除去する。次に、反応室内にＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスとＮＨ3 （アンモニア）ガスを約２４秒間供給して、基板１１の一方の主面に厚さ約５ｎｍのＡｌＮ層から成る第１の層１２ａを形成する。本実施例では基板１１の加熱温度を１１２０℃とした後に、ＴＭＡガスの流量即ちＡｌの供給量を約６３μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ3 ガスの流量即ちＮＨ3 の供給量を約０．１４ｍｏｌ／ｍｉｎとした。続いて、基板１１の加熱温度を１１２０℃とし、ＴＭＡガスの供給を止めてから反応室内にＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスとＮＨ3 （アンモニア）ガスとＳｉＨ4 （シラン）ガスを約８３秒間供給して、基板１１の一方の主面に形成された上記ＡｌＮから成る第１の層１２ａの上面に、厚さ約３０ｎｍのｎ形のＧａＮから成る第２の層１２ｂを形成する。ここで、ＳｉＨ4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、ＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量を約６３μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ3 ガスの流量即ちＮＨ3 の供給量を約０．１４ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ4 ガスの流量即ちＳｉの供給量を約２１ｎｍｏｌ／ｍｉｎとした。本実施例では、上述のＡｌＮから成る第１の層１２ａとＧａＮから成る第２の層１２ｂの形成を１０回繰り返してＡｌＮから成る第１の層１２ａとＧａＮから成る第２の層１２ｂとが交互に２０層積層されたバッファ層１２を形成する。勿論ＡｌＮから成る第１の層１２ａ、ＧａＮから成る第２の層１２ｂをそれぞれ５０層等の任意の数に変えることもできる。第１の層１２ａと第２の層１２ｂは、基板１１の一方の主面の表面状態を引き継いで膜成長するため、バッファ層１２の一方の主面は多段ステップ面となっている。
【００２２】
次に、バッファ層１２の上面に周知のＭＯＣＶＤ法によってｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ形半導体層１５を順次連続して形成する。
即ち、上面にバッファ層１２が形成された基板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ｎ形半導体層１３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。本実施例ではバッファ層１２が形成された基板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 ／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とした。また、本実施例では、ｎ形半導体層１３の厚みを約０．２μｍとした。従来の一般的発光ダイオードの場合には、ｎ形半導体層の厚みが約４．０〜５．０μｍであるから、これに比べて図１の本実施例のｎ形半導体層１３はかなり肉薄に形成されている。また、ｎ形半導体層１３の不純物濃度は約３×１０18ｃｍ-3であり、基板１１の不純物濃度よりは十分に低い。尚、本実施例によればバッファ層１２が介在しているので、１０４０℃のような比較的高い温度でｎ形半導体層１３を形成することが可能になる。このｎ形半導体層１３もバッファ層１２の一方の主面状態を受け継いで膜成長するため、その一方の主面は多段ステップ面となっている。
【００２３】
続いて、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形半導体層１３の上面にｐ形ＩｎＧａＮ（窒化インジウム ガリウム）から成る活性層１４を形成する。ここで、Ｃｐ2 Ｍｇガスは活性層１４中にｐ形導電形の不純物としてのＭｇ（マグネシウム）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 ／ｍｉｎ、ＮＨ3ガスの流量を約６７ｍmol ／ｍｉｎ、ＴＭＩガスの流量即ちＩｎの供給量を約４．５μmol ／ｍｉｎ、Ｇｐ2 Ｍｇガスの流量即ちＭｇの供給量を約１２ｎmol ／ｍｉｎとした。また、活性層１４の厚みは約２ｎｍ即ち２０オングストロ−ムとした。なお、活性層１４の不純物濃度は約３×１０17ｃｍ-3である。活性層１４は、この下側のｎ形半導体層１３又はバッファ層１２を介して基板１１の一方の主面の表面状態を引き継いで形成される。このため、活性層１４の一方の主面は、多数のステップと多数のテラスとが交互に形成された多段ステップ面を構成している。
【００２４】
続いて、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（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体層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 ／ｍｉｎ、アンモニアガスの流量を約５３．６μmol ／ｍｉｎ、Ｃｐ2 Ｍｇガスの流量を約０．１２μmol ／ｍｉｎとした。また、ｐ形半導体層１５の厚みは約０．２μｍとした。なお、ｐ形半導体層１５の不純物濃度は約３×１０18ｃｍ-3である。このｐ形半導体層１５の一方の主面も多段ステップ面となる。
【００２５】
上記のＭＯＣＶＤ成長方法によれば、シリコン単結晶から成る基板１１の結晶方位を良好に引き継いでいるバッファ層１２を形成することができる。また、バッファ層１２の結晶方位に対してｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ形半導体層１５の結晶方位を揃えることができる。この結果、良好な結晶性を有し、且つ基板１１の多段ステップ面を良好に引き継いだｎ形半導体１３、活性層１４及びｐ形半導体層１５が得られる。
【００２６】
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の上面即ちｐ形半導体層１５の上面に付着させることによって形成し、ｐ形半導体層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。
【００２７】
第２の電極としてのカソード電極１８は、ｎ形半導体層１３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の下面全体に形成する。
【００２８】
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。
【００２９】
本実施形態の青色レ−ザダイオードによれば、次の効果が得られる。
（１） 基板１１の一方の主面に形成された格子定数がシリコンとＧａＮとの間の値を有するＡｌＮから成る第１の層１２ａは、シリコンから成る基板１１の結晶方位を良好に引き継ぐことができる。この結果、バッファ層１２の一方の主面に、ｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ形半導体層１５からなるＧａＮ系半導体領域１０を結晶方位を揃えて良好に形成することができる。このため、ＧａＮ系半導体領域１０の特性が良くなり、発光特性も良くなる。また、ＧａＮ系半導体領域１０はオフ基板１１のステップ表面を引き継ぐので多段ステップなり、量子細線を容易且つ良好に得ることができ、低しきい値のレ−ザダイオ−ドを容易に得ることができる。
（２） 第１の層１２ａと第２の層１２ｂが複数積層されて成るバッファ層１２を介して半導体領域１０を形成すると、半導体領域１０の結晶性が良くなる。即ち、シリコンから成る基板１１の一方の主面に、もしＧａＮ半導体層のみによって構成されたバッファ層を形成した場合、シリコンとＧａＮとは格子定数の差が大きいため、このバッファ層の上面に結晶性に優れたＧａＮ系半導体領域を形成することはできない。また、比較的厚いAlNのみでバッファ層を形成すると、バッファ層の抵抗が大きくなる。また、比較的薄いAlNのみでバッファ層を形成すると、十分なバッファ機能が得られない。これに対し、本実施例では、基板１１とＧａＮ系半導体領域１０との間にシリコンとの格子定数差が比較的小さいＡｌＮから成る複数の第１の層１２ａが介在し、且つ第1の層１２ａの相互間に第２の層１２ｂが介在した複合構造のバッファ層１２が設けられている。このため、バッファ層12の上に結晶性の良いＧａＮ系半導体領域１０を形成することができる。この結果、ＧａＮ系半導体領域１０の発光特性が良くなる。
（３） バッファ層１２に含まれている複数の第１の層１２ａのそれぞれが量子力学的なトンネル効果の生じる厚さに設定されているので、バッファ層１２の抵抗の増大を抑えることができる。
（４） 基板１１とＧａＮ系半導体領域１０との熱膨張係数の差に起因する歪みの発生を抑制できる。即ち、シリコンの熱膨張係数とＧａＮの熱膨張係数とは大きく相違するため、両者を直接に積層すると熱膨張係数差に起因する歪みが発生し易い。しかし、本実施例のＡｌＮからなる第１の層１２ａの熱膨張係数は基板１１の熱膨張係数とＧａＮ系半導体領域１０の熱膨張係数との中間値を有する。また。第１の層１２ａと第２の層１２ｂとの複合層から成るバッファ層１２の平均的な熱膨張係数は基板１１の熱膨張係数とＧａＮ系半導体領域１０の熱膨張係数との中間値を有する。このため、このバッファ層１２によって基板１１とＧａＮ半導体領域１０との熱膨張係数の差に起因する歪みの発生を抑制することができる。
【００３０】
【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） 半導体基体１６の各層の導電形を実施例と逆にすることができる。
（２） ｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ形半導層１５のそれぞれを、複数の半導体層の組み合せで構成することができる。
（３） ｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ形半導層１５のそれぞれの材料を、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）、ＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム）、及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム アルミニウム）から選択された窒化ガリウム系化合物半導体又は窒化インジウム系化合物半導体とすることができる。
（４） ｎ形半導体層１３を省いてバッファ層１２の上にＧａＩｎＮから成る活性層１４を直接に接触させることができる。これにより、肉厚のＡｌＧａＮクラッド層を介在させて活性層１４を形成する場合に比較して活性層１４に加わる引っ張り応力が緩和される。このため、活性層１４の結晶性が良好となり、発光素子の発光特性が更に良好に得られる。
（５） アノ−ド電極１７の下にオ−ミックコンタクトのためのＰ+形半導体領域即ちコンタクト層を設けることができる。また、ｐ形半導体領域１５とアノ−ド電極１７との間に周知の電流拡散層、電流ブロック層を設けることができる。
（６） アノ−ド電極１７を透明電極とパット電極との組み合せとで構成することができる。
（７） バッファ層１２の第１の層１２ａの数を第２の層１２ｂよりも１層多くしてバッファ層12の最上層を第1の層１２ａとすることができる。また、逆に第2の層１２ｂの数を第1の層１２ａの数よりも1層多くすることもできる。
（８） 第１の層１２ａ及び第２の層１２ｂは、これらの機能を阻害しない範囲で不純物を含むものであってもよい。
（９） 基板１１を、単結晶シリコン以外の多結晶シリコン又はＳｉＣ等のシリコン化合物とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態に従うのレ−ザダイオードを示す中央縦断面図である。
【図２】図１のレ−ザダイオードの斜視図である。
【図３】図１の基板の表面を拡大して概略的に示す斜視図である。
【図４】図２の一部を拡大して量子細線を概略的に示す斜視図である。
【図５】図１のレ−ザダイオ−ドの構造を製造工程順に拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１０ ＧａＮ系半導体領域
１１ シリコン単結晶から成る基板
１２ バッファ層
１２ａ ＡｌＮから成る第１の層
１２ｂ ＧａＮから成る第２の層
１３ ｎ形半導体層
１４ 活性層
１５ ｐ形半導体層
１６ 基体
１８ アノード電極
１９ カソード電極
Claims (1)
- 一方の主面がミラ−指数で示す結晶面方位の（１１１）面から［１１-０］方向又は［１-１０］方向又は［１-１-２］方向又は［１１２-］方向のいずれかに０．５〜５度の角度で傾斜しているシリコン基板を用意する工程と、
前記シリコン基板の一方の主面に、
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を０．５〜１０ｎｍの厚みに気相成長させて第１のバッファ層を得る工程と、
前記第１のバッファ層の上に
ＧａＮ又は化学式 ＡｌyＧａ1-yＮ
ここで、ｙは、ｙ＜ｘ
０＜ｙ＜１
を満足する数値、
で示すことができる材料を１０〜３００ｎｍの厚みに気相成長させて第２のバッファ層を得る工程と、
前記第２のバッファ層の上に量子細線を有する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気相成長法によって形成する工程と
を有し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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