JP4058592B2 - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は窒化物系化合物半導体を用い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】
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。
従来の典型的な発光素子は、サファイアから成る絶縁性基板、この絶縁性基板の一方の主面（上面）に形成された例えば日本の特開平４‐２９７０２３号公報に開示されているＧａxＡｌ1-xＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１の範囲の数値である。）から成るバッファ層、このバッファ層の上にエピタキシャル成長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、このｎ形半導体領域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、及びこの活性層の上にエピタキシャル成長法によって形成されたｐ形半導体領域を備えている。カソ−ド電極はｎ形半導体領域に接続され、アノ−ド電極はｐ形半導体領域に接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、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、劈開 (cleavage)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、発光素子のコストが高くなった。また、サファイアから成る基板は絶縁体であるため、カソ−ド電極を基板に形成することができなかった。このため、ｎ形半導体領域の一部を露出させ、ここにカソ−ド電極を接続することが必要になり、半導体基体の面積即ちチップ面積が比較的大きくなり、その分発光素子のコストが高くなった。また、サファイア基板を使用した従来の発光素子では、ｎ形半導体領域の垂直方向のみならず、水平方向即ちサファイア基板の主面に沿う方向にも電流が流れる。このｎ形半導体領域の水平方向の電流が流れる部分の厚みは４〜５μｍ程度と極めて薄いため、ｎ形半導体領域の水平方向の電流通路の抵抗はかなり大きなものとなり、消費電力及び動作電圧の増大を招いた。更に、このｎ形半導体領域のカソ−ド電極の接続部分を露出させるために活性層及びｐ形半導体領域をエッチングによって削り取ることが必要になり、エッチングの精度を考慮してｎ形半導体領域は予め若干肉厚に形成しておく必要があった。このためｎ形半導体領域のエピタキシャル成長の時間が長くなり、生産性が低かった。
また、サファイア基板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。この発光素子においては、カソ−ド電極を導電性基板の下面に形成できる。このため、サファイア基板を使用した発光素子に比べて、ＳｉＣ基板を使用した発光素子は、チップ面積の縮小が図られること、劈開によりウエハの分離が簡単化する等の利点はある。しかし、ＳｉＣはサファイアよりも一段と高価であるため発光素子の低コスト化が困難である。また、ＳｉＣ基板の上にｎ形半導体領域を低抵抗接触させることが困難であり、この発光素子の消費電力及び動作電圧がサファイア基板を使用した発光素子と同様に比較的高くなった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、生産性及び性能の向上及びコストの低減を図ることができる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。
【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、窒化物系化合物半導体を含んでいる半導体発光素子であって、不純物を含むシリコン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バッファ層と、発光機能を得るために前記バッファ層の上に配置された複数の窒化物系化合物半導体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、前記バッファ層は、化学式 ＡlxＩｎyＧａ1-x-yＮ、ここで、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、で示すことができる材料から成り且つ量子力学的なトンネル効果を生じさせることができる１ｎｍ〜８ｎｍの厚みを有している第１の層と、化学式 ＡｌaＩｎbＧａ1-a-bＮ、ここで、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１、ａ＋ｂ≦１を満足する数値、で示すことができる材料から成り且つ前記第１の層よりも小さいバンドギャップを有し且つ１０ｎｍ〜３００ｎｍの厚みを有し且つ前記第２の層にｎ形不純物としてシリコンが含まれている第２の層とを交互に複数回繰り返して配置した複合層から成り、前記第１の層と第２の層の少なくとも一方にＩｎ（インジウム）が含まれ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。
【０００６】
なお、請求項２に示すように、前記基板の前記バッファ層が配置されている側の主面は、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面又は（１１１）面から−４度から＋４度の範囲で傾いている面であることが望ましい。
また、請求項３に示すように、前記バッファ層は、ＡlxＩｎyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１を満足する数値である。）から成る第１の層と、ＡlaＩｎbＧａ1-a-bＮ（但し、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜１、ａ＋ｂ≦１、ｂ＞ｙを満足する数値である。）から成り且つ前記第１の層よりも小さいバンドギャップを有している第２の層との複合層から成ることが望ましい。即ち、少なくとも第２の層にＩｎ(インジウム)が含まれていることが望ましい。
また、請求項４に示すように、前記半導体領域の前記複数の窒化物系化合物半導体層のそれぞれは、ＧａＮ（窒化ガリウム）層、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム アルミニウム）層、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）層、ＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム）層、及びＩｎＡｌＧａＮ（窒化ガリウム インジウム アルミニウム）層から選択されたものであることが望ましい。
また、請求項５に示すように、前記半導体領域は、前記バッファ層の上に配置された窒化物系化合物半導体から成る第１の導電形の第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に配置された窒化物系化合物半導体から成る活性層と、前記活性層の上に配置された窒化物系化合物半導体から成り且つ前記第１の導電形と反対の導電形を有している第２の半導体層とを備えていることが望ましい。
また、請求項６に示すように、不純物を含み且つ低い抵抗率を有し且つミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面又は（１１１）面から−４度から＋４度の範囲で傾いている主面を有し且つシリコンから成る基板を用意する工程と、前記基板の上に気相成長法によってＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１を満足する数値である。）から成り且つ量子力学的なトンネル効果を生じさせることができる１ｎｍ〜８ｎｍの厚みを有している第１の層と、ＡＩaｌｎbＧａ1-a-bＮ（但し、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１、ａ＋ｂ≦１、ｂ＞ｙを満足する数値である。）から成り且つ前記第１の層よりも小さいバンドギャップを有し且つ１０ｎｍ〜３００ｎｍの厚みを有している第２の層とを交互に複数回繰り返して形成してバッファ層を得る工程と、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から成る半導体領域を気相成長法によって形成する工程と、
前記半導体領域の表面上に第１の電極を形成し、前記基板の他方の主面に第２の電極を形成する工程とによって半導体発光素子を製造することが望ましい。
【０００７】
【発明の効果】
本願請求項１の発明によれば次の効果が得られる。
（１）基板が比較的安価なシリコンであるので、発光素子のコストを低減できる。
（２） ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１を満足する数値である。）から成る第１の層と、ＡｌaＩｎbＧａ1-a-bＮ（但し、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１、ａ＋ｂ≦１を満足する数値である。）から成る第２の層との複合層から成るバッファ層は、この上に形成する窒化物系化合物半導体層の結晶性及び平坦性の改善に寄与する。即ち、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１を満足する数値である。）から成る第１の層と、ＡｌaＩｎbＧａ1-a-bＮ（但し、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１、ａ＋ｂ≦１を満足する数値である。）から成る第２の層との複合層から成るバッファ層は、シリコンから成る基板の結晶方位を良好に引き継ぐことができ、バッファ層の一方の主面に発光機能を得るための窒化物系化合物半導体層を結晶方位を揃えて良好に形成することができる。なお、もし、シリコンから成る基板の一方の主面に、窒化物半導体層のみから成る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為、このバッファ層の上面に平坦性に優れた窒化物系化合物半導体領域を形成することができない。一方、本発明によれば、基板と窒化物系化合物半導体領域との間に、シリコンから成る基板との格子定数差が比較的小さいＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１を満足する数値である。）から成る第１の層と、ＡｌaＩｎbＧａ1-a-bＮ（但し、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１、ａ＋ｂ≦１を満足する数値である。）から成る第２の層とを交互に複数回繰り返して配置した複合層から成るバッファ層が介在しているため、窒化物系化合物半導体領域の平坦性が良くなる。この結果、発光特性が良好に得られる。
（３）第１及び第２の電極は互いに対向するように配置されているので、電流通路の抵抗値を下げて消費電力及び動作電圧を小さくすることができる。
（４）バッファ層は少なくともＡｌとＮを含む第１の層と少なくともＧａとＮとを含む第２の層との複合層である。このバッファ層の熱膨張係数はシリコンから成る基板の熱膨張係数と窒化物系化合物から成る半導体領域の熱膨張係数との中間の値を有する。従って、バッファ層は基板と半導体領域との熱膨張係数の差に起因する歪の発生を比較的良好に抑制する。本発明では、更に、バッファ層を構成する第１の層と第２の層の内の少なくとも一方の層にインジウムが含まれている。第１及び第２の層の少なくとも一方をインジウムを含む窒化物系化合物半導体（窒化インジウム系化合物半導体）とすれば、基板と窒化物系半導体領域との間の応力緩和効果が更に良好に得られる。即ち、第１及び第２の層の少なくとも一方を構成する窒化インジウム系化合物半導体、例えばＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等はＩｎを構成元素として含まない他の窒化物系化合物半導体、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ等に比較して、シリコン又はシリコン化合物から成る基板と熱膨張係数がより近似する。このため、バッファ層を構成する第１の層と第２の層のうち少なくとも一方の層にインジウムを含めることによって、基板と発光機能を有する半導体領域との間の熱膨張係数の差に起因する半導体領域の歪を良好に防止できる。
（５）バッファ層の第１の層が１〜８ｎｍの量子力学的なトンネル効果を生じる厚みに設定されているので、バッファ層の抵抗値の増大を抑えて発光素子の消費電力及び動作電圧を低くすることができる。
（６）第２の層の厚みが１０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲に制限され、且つ第２の層にｎ形不純物としてシリコンが含まれている。第２の層の厚みが１０nm以上であれば、発光素子の動作時における第１及び第２の電極間の抵抗及び電圧が比較的小さくなる。即ち、もし、第２の層の厚みが１０nmよりも薄い時には、第２の層の価電子帯と伝導帯とに離散的なエネルギー準位が発生し、第２の層においてキャリアの伝導に関与するエネルギー準位が見かけ上増大する。この結果、基板と第２の層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第１及び第２の電極間の抵抗及び電圧が比較的大きくなる。これに対し、第２の層の厚みが１０nm以上になると、第２の層の価電子帯と伝導帯とにおける離散的なエネルギー準位の発生が抑制され、第２の層におけるキャリアの伝導に関与するエネルギー準位の増大が抑制される。この結果、基板と第２の層との間のエネルギバンドの不連続性の悪化が抑制され、発光素子の動作時の第１及び第２の電極間の抵抗及び電圧が小さくなる。
（７）シリコンとの格子定数の差が比較的小さいＡｌ x Ｇａ 1-x Ｎから成る第１の層が基板上に配置され、且つこれがＧａＮ又はＡｌ y Ｇａ 1-y Ｎから成る第２の層の相互間にも配置されるので、バッファ層の平坦性が良くなり、このバッファ層の上に形成される半導体領域の結晶性も良くなる。
請求項２の発明によれば、基板の上にバッファ層及び発光機能を有する半導体領域を良好に形成することができ、発光効率を高めることができる。即ち、基板の主面の面方位を（１１１）ジャスト面又は（１１１）ジャスト面からのオフ角度が小さい面とすることによって、バッファ層及び発光機能を有する半導体領域の結晶表面の原子ステップ即ち原子レベルでのステップを無くすこと又は少なくすることができる。もし、（１１１）ジャスト面からのオフ角度の大きい主面上にバッファ層及び発光機能を有する半導体領域を形成すると、これ等に原子レベルで見て比較的大きいステップが生じる。エピタキシャル成長層が比較的厚い場合には多少のステップはさほど問題にならないが、活性層のような数ｎｍオ−ダの厚みの薄い層を有する発光素子の場合には、発光素子を通電状態とした時にステップの近傍に発光に寄与しない電流即ち無効電流が流れ、発光効率が低下する。これに対して、基板の主面を（１１１）ジャスト面又はオフ角度の小さい面とすれば、ステップが小さくなり、無効電流も少なくなり、発光効率が大きくなる
請求項３の発明によればバッファ層を構成する第２の層が窒化インジウム系化合物半導体、例えばＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、又はＡｌＩｎＧａＮから成るので、動作電圧を良好に低減することができる。即ち、第２の層を窒化インジウム系化合物半導体ではない窒化物系化合物半導体、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ等とし、第１の層を窒化アルミニウムインジウム系化合物半導体とした場合でも基板との熱膨張係数差に起因する歪の発生を防止することができる。しかし、第２の層を窒化インジウム系化合物半導体で構成すれば、基板との熱膨張係数差に起因する歪の発生を防止することができると共に、基板のエネルギバンドと第２の層のエネルギバンドとの間の不連続性を改善することができ、キャリアがバッファ層を通過し易くなる。この結果、第１及び第２の電極間の動作抵抗及び動作電圧を低減することが可能になる。
請求項４の発明によれば、バッファ層上に発光機能を有する半導体領域を良好に形成することができる。
請求項５の発明によれば、活性層が反対導電形の２つの半導体層で挟まれた構造を有するため、発光特性の良好な半導体発光素子を提供できる。
請求項６の発明によれば、特性の良い半導体発光素子を安価且つ容易に形成することができる。
【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第１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。
【０００９】
図１及び図２に示す本発明の実施形態に従う青色発光ダイオードは、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−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）から成る発光層即ち活性層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、ｎ形の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。この基板１１のバッファ層１２が配置されている側の主面１１ａは、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面である。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図３（Ｂ）の示すようにバッファ層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 ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ
ここで、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦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）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム アルミニウム）、及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム アルミニウム）から選択されたもので形成される。図１及び図２の実施形態では、前記式のｘが０．５、ｙが０．０１とされた材料に相当するＡｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎ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。アルミニウムを含む第１の層１２ａの格子定数及び熱膨張係数はシリコン基板１１の格子定数及び熱膨張係数と半導体領域１０の格子定数及び熱膨張係数との間の値を有する。
【００１３】
第２の層１２ｂは、
化学式 ＡｌaＩｎbＧａ1-a-bＮ
ここで、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦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形半導体の薄い膜である。即ち、第２の層１２ｂは、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ及びＡｌＩｎＧａＮから選択されたもので形成される。図１及び図２の実施形態では、前記式のａが０．０５、ｂが０．３５とされた材料に相当するＡｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎが第２の層１２ｂに使用されている。第２の層１２ｂの価電子帯と伝導帯との間のギャップ即ちバンドギャップが第１の層１２ａのバンドギャップよりも小さい。第２の層１２ｂの抵抗を小さくするために、Ａｌの割合ａを第１の層１２ａのＡｌの割合ｘよりも小さい例えば０．８以下、より好ましくは０．１以下に設定することが望ましい。第２の層１２ｂは抵抗値の比較的小さい半導体として機能し、第１の層１２ａの相互間の電気的接続機能を有する。
【００１４】
バッファ層１２の第１の層１２ａの厚みT1は、好ましくは０．５ｎｍ〜１０ｎｍ即ち５〜１００オングストローム、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の平坦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T2は、好ましくは０．５ｎｍ〜３００ｎｍ即ち５〜３０００オングストロームであり、より好ましくは１０ｎｍ〜３００ｎｍである。第２の層１２ｂの厚みが０．５ｎｍ即ち５オングストローム未満の場合には、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即ち３０００オングストロームを超えた場合には、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の平坦性が良好に保てなくなる。
【００１６】
図４は第２の層１２ｂの厚みＴ2と発光素子の発光動作時におけるアノード電極１７とカソード電極１８との間の電圧Ｖfとの関係を示す。この図４から明らかなように、上記厚みＴ2が１０ｎｍよりも小さい時には電圧Ｖfが約４Ｖよりも高くなる。これに対して、厚みＴ2が１０ｎｍ又はこれよりも大きい時には、電圧Ｖfが４Ｖよりも小さくなる。
第２の層１２ｂの厚みＴ2が１０ｎｍ未満の時には、第２の層１２ｂによる第１の層１２ａの相互間の電気的接続機能が低下すると共に、シリコン基板１１と第２の層１２ｂとのエネルギバンドの不連続性が大きくなる。即ち、第２の層１２ｂの厚みが１０ｎｍよりも薄い時には、第２の層１２ｂの価電子帯と伝導帯とに離散的なエネルギー準位が発生し、第２の層１２ｂにおいてキャリアの伝導に関与するエネルギー準位が見かけ上増大する。即ち、第１の層１２ａと第２の層１２ｂとが超格子の状態になる。この結果、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。これに対し、第２の層１２ｂの厚みが１０ｎｍ以上になると、第２の層１２ｂの価電子帯と伝導帯とにおける離散的なエネルギー準位の発生が抑制され、第２の層１２ｂにおけるキャリアの伝導に関与するエネルギー準位の増大が抑制される。即ち、第１の層１２ａと第２の層１２ｂとが超格子の状態になることが阻止される。この結果、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の悪化が抑制され、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が低くなる。従って、この実施例の第１の層１２ａの厚みＴ1が５ｎｍ、第２の層１２ｂの厚みＴ2が３０ｎｍである。
【００１７】
次に、第１の層１２ａがＡｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎ、第２の層１２ｂがＡｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎとされたバッファ層１２を備えた発光素子の製造方法を説明する。
【００１８】
まず、図３の（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。バッファ層１２を形成するためのシリコン基板１１の一方の主面１１ａは、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面、即ち正確な（１１１）面である。しかし、図３において０で示す（１１１）ジャスト面に対して−θ〜+θで示す範囲で基板１１の主面１１ａを傾斜させることができる。−θ〜+θの範囲は−４°〜+４°であり、好ましくは−３°〜+３°であり、より好ましくは−２°〜+２°である。
【００１９】
図５は基板１１の主面１１ａの（１１１）ジャスト面に対するオフ角度θと発光強度比との関係を示す。ここでの発光強度比は、基板１１の主面１１ａが（１１１）ジャスト面された発光素子を所定電流で駆動した時の発光強度即ち発生光量Ｑ1と基板１１の主面１１ａが（１１１）面を基準にして（１１２）面方向に角度θだけ傾いた面にされた発光素子を所定電流で駆動した時の発光強度即ち発生光量Ｑ2との比Ｑ2／Ｑ1を示す。この図５から明らかなように（１１１）面からのオフ角度θが−４°〜+４°の範囲で発光強度比Ｑ2／Ｑ1が約０．０５以上となり、−３°〜+３°の範囲で発光強度比Ｑ2／Ｑ1が約０．５以上となり、−２°〜+２°の範囲で発光強度比Ｑ2／Ｑ1が０．８以上になる。ここで、発光強度比が大きいことは、発光素子の発光効率が大きいことを意味する。シリコン基板１１の主面１１ａの結晶方位を、（１１１）ジャスト面又は（１１１）ジャスト面からのオフ角度が小さい面とすることによって、バッファ層１２及び発光機能を有する半導体領域１０をエピタキシャル成長させる際の原子レベルでのステップを無くすこと又は小さくすることができる。もし、主面１１ａの結晶方位が（１１１）ジャスト面からのオフ角度が大きくなるように設定されている場合には、シリコン基板１１の主面１１ａ上にバッファ層１２及び発光機能を有する半導体領域１０をエピタキシャル成長で形成する時に、原子レベルで見て比較的大きいステップが生じる。エピタキシャル成長層が比較的厚い場合には多少のステップはさほど問題にならないが、活性層１４のように例えば２ｎｍのように薄い場合には、発光素子を通電状態とした時にステップの近傍に発光に寄与しない電流即ち無効電流が流れ、発光効率が低下する。これに対して、シリコン基板１１の主面１１ａを（１１１）ジャスト面又はオフ角度の小さい面とすれば、ステップが無くなるか又は小さくなり、無効電流も少なくなり、発光効率が大きくなる。
【００２０】
次に、図３（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Ａｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎから成る第１の層１２aとＡｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎ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、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）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Ｔ1が約５ｎｍ即ち約５０オングストロームのＡｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎ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８００℃とした後に、ＴＭＡガスの流量即ちＡｌの供給量を約１４μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧガスの流量を３１μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩｎガスの流量を４７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ3ガスの流量即ちＮＨ3の供給量を約０．２３ｍｏｌ／ｍｉｎとした。続いて、ＴＭＡガス、ＴＭＧガス及びＴＭＩｎガスの供給を止め、基板１１の加熱温度を７５０℃まで下げ、しかる後、ＴＭＡガス、ＴＭＧガス、ＴＭＩｎガス、ＮＨ3（アンモニア）ガス及びＳｉＨ4（シラン）ガスを約８３秒間供給して、第１の層１２ａの上面に、厚さＴ2が３０ｎｍ即ち３００オングストロームのｎ形のＡｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎ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、ＴＭＡガスの流量を２．８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧガスの流量を４６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩｎガスの流量を５９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ3ガスの流量即ちＮＨ3の供給量を約０．２３ｍｏｌ／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Ａｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎから成る第１の層１２ａとＡｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎから成る第２の層１２ｂの形成を１０回繰り返してＡｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎから成る第１の層１２ａとＡｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎ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Ａｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎから成る第１の層１２ａ、Ａｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎ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。
【００２１】
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。
【００２２】
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２０×１０-4μｍ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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
本実施形態の青色発光ダイオードによれば、次の効果が得られる。
（１） サファイアに比べて著しく低コストであり且つ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、ＧａＮ系発光ダイオードのコスト低減が可能である。
（２） 基板１１の一方の主面に形成されたＡｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎから成る第１の層１２ａ及びＡｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎから成る第２の層１２ｂとの複合層から成るバッファ層１２は、半導体領域１０の結晶性及び平坦性の改善に寄与する。即ち、バッファ層１２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。
（３） 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の平坦性が良くなる。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平坦性に優れたＧａＮ系半導体領域を形成することはできない。また、もし、第１の層１２ａのみでバッファ層１２を比較的厚く形成すると、バッファ層の抵抗が大きくなる。また、もし、第１の層１２ａのみでバッファ層１２を比較的薄く形成すると、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Ａｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎから成る第１の層１２ａとＡｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎから成る第２の層１２ｂとの複合層からなるバッファ層１２が介在しているため、ＧａＮ系半導体領域１０の平坦性が良くなる。この結果、ＧａＮ系半導体領域１０の発光特性が良くなる。
（４） アノード電極１７とカソード電極１８とが対向配置されているので、これ等の間に、順方向電圧を印加すると、半導体基体１６の厚み方向（縦方向）に順方向電流が流れる。このため、アノード電極１７とカソ−ド電極１８と間の抵抗値及び電圧を下げることができ、発光ダイオ−ドの消費電力を小さくすることが可能になる。
（５） 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。
（６） 基板１１とＧａＮ系半導体領域１０との熱膨張係数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。
なお、バッファ層１２にインジウムが含まれているので、バッファ層１２にインジウムを含めない場合よりもバッファ層１２の熱膨張係数をシリコン基板１１に近似させることができる。
（７） 第２の層１２ｂにＩｎが含まれており、且つ第２の層１２ｂの厚みが比較的厚い３０ｎｍであるので、基板１１のエネルギ−バンドと第２の層１２ｂのエネルギ−バンドとの不連続性が改善され、動作時におけるアノ−ド電極１９とカソ−ド電極１８との間の抵抗値及び電圧が低くなる。
（８） 従来のサファイア基板を使用した発光素子に比べてカソ−ド電極１８の形成が容易になる。即ち、従来のサファイア基板を使用した発光素子の場合は、図１及び図２のｐ形半導体層１５及び活性層１４に相当するものの一部を除去してｎ形半導体層１３の一部を露出させ、この露出したｎ形半導体層１３にカソ−ド電極を接続することが必要になった。このため、従来の発光素子は、カソ−ド電極が形成しにくいという欠点、及びカソ−ド電極を形成するためにｎ形半導体層の面積が大きくなるという欠点があった。図１及び図２の発光素子は上記欠点を有さない。
（９） シリコン基板１１の主面１１ａの結晶方位を（１１１）ジャスト面としたので、半導体領域１０におけるステップが少なくなり、発光効率が高くなる。
【００２９】
【第２の実施形態】
次に、図６を参照して第２の実施形態の半導体装置を説明する。但し、図６において図１と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３０】
図６の半導体装置は、図１に示した発光ダイオ−ドのシリコン基板１１に別の半導体素子としてのトランジスタ２０を設けたものである。トランジスタ２０は素子分離用のＰ形半導体領域２１の中に形成されたコレクタ領域Ｃとベ−ス領域Ｂとエミッタ領域Ｅとから成る。このように、発光ダイオ−ドとトランジスタとを複合化すると、これ等を含む回路装置の小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００３１】
【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） 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。
（２） 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。
（３） ｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ形半導体層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。
（４） ｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ形半導体層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。
（５）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+形半導体領域を設けることができる。
（６） アノ−ド電極１７を透明電極とすることができる。
（７） バッファ層１２の第２の層１２ｂの数を第１の層１２ａよりも１層多くして基板１１と第１の層１２ａとの間に第２の層１２ｂを配置することができる。
（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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に従う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の発光ダイオ−ドの構造を製造工程順に拡大して示す断面図である。
【図４】第２の層の厚みと順方向電圧との関係を示す図である。
【図５】シリコン基板の主面の（１１１）ジャスト面に対するオフ角度と発光強化比との関係を示す図である。
【図６】第２の実施形態の半導体装置を示す断面図である。
【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 Ａｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎから成る第１の層
１２ｂ Ａｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎ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】
本発明は窒化物系化合物半導体を用い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】
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。
従来の典型的な発光素子は、サファイアから成る絶縁性基板、この絶縁性基板の一方の主面（上面）に形成された例えば日本の特開平４‐２９７０２３号公報に開示されているＧａxＡｌ1-xＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１の範囲の数値である。）から成るバッファ層、このバッファ層の上にエピタキシャル成長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、このｎ形半導体領域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、及びこの活性層の上にエピタキシャル成長法によって形成されたｐ形半導体領域を備えている。カソ−ド電極はｎ形半導体領域に接続され、アノ−ド電極はｐ形半導体領域に接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、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、劈開 (cleavage)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、発光素子のコストが高くなった。また、サファイアから成る基板は絶縁体であるため、カソ−ド電極を基板に形成することができなかった。このため、ｎ形半導体領域の一部を露出させ、ここにカソ−ド電極を接続することが必要になり、半導体基体の面積即ちチップ面積が比較的大きくなり、その分発光素子のコストが高くなった。また、サファイア基板を使用した従来の発光素子では、ｎ形半導体領域の垂直方向のみならず、水平方向即ちサファイア基板の主面に沿う方向にも電流が流れる。このｎ形半導体領域の水平方向の電流が流れる部分の厚みは４〜５μｍ程度と極めて薄いため、ｎ形半導体領域の水平方向の電流通路の抵抗はかなり大きなものとなり、消費電力及び動作電圧の増大を招いた。更に、このｎ形半導体領域のカソ−ド電極の接続部分を露出させるために活性層及びｐ形半導体領域をエッチングによって削り取ることが必要になり、エッチングの精度を考慮してｎ形半導体領域は予め若干肉厚に形成しておく必要があった。このためｎ形半導体領域のエピタキシャル成長の時間が長くなり、生産性が低かった。
また、サファイア基板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。この発光素子においては、カソ−ド電極を導電性基板の下面に形成できる。このため、サファイア基板を使用した発光素子に比べて、ＳｉＣ基板を使用した発光素子は、チップ面積の縮小が図られること、劈開によりウエハの分離が簡単化する等の利点はある。しかし、ＳｉＣはサファイアよりも一段と高価であるため発光素子の低コスト化が困難である。また、ＳｉＣ基板の上にｎ形半導体領域を低抵抗接触させることが困難であり、この発光素子の消費電力及び動作電圧がサファイア基板を使用した発光素子と同様に比較的高くなった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、生産性及び性能の向上及びコストの低減を図ることができる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。
【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、窒化物系化合物半導体を含んでいる半導体発光素子であって、不純物を含むシリコン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バッファ層と、発光機能を得るために前記バッファ層の上に配置された複数の窒化物系化合物半導体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、前記バッファ層は、化学式 ＡlxＩｎyＧａ1-x-yＮ、ここで、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、で示すことができる材料から成り且つ量子力学的なトンネル効果を生じさせることができる１ｎｍ〜８ｎｍの厚みを有している第１の層と、化学式 ＡｌaＩｎbＧａ1-a-bＮ、ここで、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１、ａ＋ｂ≦１を満足する数値、で示すことができる材料から成り且つ前記第１の層よりも小さいバンドギャップを有し且つ１０ｎｍ〜３００ｎｍの厚みを有し且つ前記第２の層にｎ形不純物としてシリコンが含まれている第２の層とを交互に複数回繰り返して配置した複合層から成り、前記第１の層と第２の層の少なくとも一方にＩｎ（インジウム）が含まれ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。
【０００６】
なお、請求項２に示すように、前記基板の前記バッファ層が配置されている側の主面は、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面又は（１１１）面から−４度から＋４度の範囲で傾いている面であることが望ましい。
また、請求項３に示すように、前記バッファ層は、ＡlxＩｎyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１を満足する数値である。）から成る第１の層と、ＡlaＩｎbＧａ1-a-bＮ（但し、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜１、ａ＋ｂ≦１、ｂ＞ｙを満足する数値である。）から成り且つ前記第１の層よりも小さいバンドギャップを有している第２の層との複合層から成ることが望ましい。即ち、少なくとも第２の層にＩｎ(インジウム)が含まれていることが望ましい。
また、請求項４に示すように、前記半導体領域の前記複数の窒化物系化合物半導体層のそれぞれは、ＧａＮ（窒化ガリウム）層、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム アルミニウム）層、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）層、ＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム）層、及びＩｎＡｌＧａＮ（窒化ガリウム インジウム アルミニウム）層から選択されたものであることが望ましい。
また、請求項５に示すように、前記半導体領域は、前記バッファ層の上に配置された窒化物系化合物半導体から成る第１の導電形の第１の半導体層と、前記第１の半導体層の上に配置された窒化物系化合物半導体から成る活性層と、前記活性層の上に配置された窒化物系化合物半導体から成り且つ前記第１の導電形と反対の導電形を有している第２の半導体層とを備えていることが望ましい。
また、請求項６に示すように、不純物を含み且つ低い抵抗率を有し且つミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面又は（１１１）面から−４度から＋４度の範囲で傾いている主面を有し且つシリコンから成る基板を用意する工程と、前記基板の上に気相成長法によってＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１を満足する数値である。）から成り且つ量子力学的なトンネル効果を生じさせることができる１ｎｍ〜８ｎｍの厚みを有している第１の層と、ＡＩaｌｎbＧａ1-a-bＮ（但し、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１、ａ＋ｂ≦１、ｂ＞ｙを満足する数値である。）から成り且つ前記第１の層よりも小さいバンドギャップを有し且つ１０ｎｍ〜３００ｎｍの厚みを有している第２の層とを交互に複数回繰り返して形成してバッファ層を得る工程と、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から成る半導体領域を気相成長法によって形成する工程と、
前記半導体領域の表面上に第１の電極を形成し、前記基板の他方の主面に第２の電極を形成する工程とによって半導体発光素子を製造することが望ましい。
【０００７】
【発明の効果】
本願請求項１の発明によれば次の効果が得られる。
（１）基板が比較的安価なシリコンであるので、発光素子のコストを低減できる。
（２） ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１を満足する数値である。）から成る第１の層と、ＡｌaＩｎbＧａ1-a-bＮ（但し、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１、ａ＋ｂ≦１を満足する数値である。）から成る第２の層との複合層から成るバッファ層は、この上に形成する窒化物系化合物半導体層の結晶性及び平坦性の改善に寄与する。即ち、ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１を満足する数値である。）から成る第１の層と、ＡｌaＩｎbＧａ1-a-bＮ（但し、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１、ａ＋ｂ≦１を満足する数値である。）から成る第２の層との複合層から成るバッファ層は、シリコンから成る基板の結晶方位を良好に引き継ぐことができ、バッファ層の一方の主面に発光機能を得るための窒化物系化合物半導体層を結晶方位を揃えて良好に形成することができる。なお、もし、シリコンから成る基板の一方の主面に、窒化物半導体層のみから成る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為、このバッファ層の上面に平坦性に優れた窒化物系化合物半導体領域を形成することができない。一方、本発明によれば、基板と窒化物系化合物半導体領域との間に、シリコンから成る基板との格子定数差が比較的小さいＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１を満足する数値である。）から成る第１の層と、ＡｌaＩｎbＧａ1-a-bＮ（但し、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１、ａ＋ｂ≦１を満足する数値である。）から成る第２の層とを交互に複数回繰り返して配置した複合層から成るバッファ層が介在しているため、窒化物系化合物半導体領域の平坦性が良くなる。この結果、発光特性が良好に得られる。
（３）第１及び第２の電極は互いに対向するように配置されているので、電流通路の抵抗値を下げて消費電力及び動作電圧を小さくすることができる。
（４）バッファ層は少なくともＡｌとＮを含む第１の層と少なくともＧａとＮとを含む第２の層との複合層である。このバッファ層の熱膨張係数はシリコンから成る基板の熱膨張係数と窒化物系化合物から成る半導体領域の熱膨張係数との中間の値を有する。従って、バッファ層は基板と半導体領域との熱膨張係数の差に起因する歪の発生を比較的良好に抑制する。本発明では、更に、バッファ層を構成する第１の層と第２の層の内の少なくとも一方の層にインジウムが含まれている。第１及び第２の層の少なくとも一方をインジウムを含む窒化物系化合物半導体（窒化インジウム系化合物半導体）とすれば、基板と窒化物系半導体領域との間の応力緩和効果が更に良好に得られる。即ち、第１及び第２の層の少なくとも一方を構成する窒化インジウム系化合物半導体、例えばＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、ＡｌＩｎＧａＮ等はＩｎを構成元素として含まない他の窒化物系化合物半導体、例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ等に比較して、シリコン又はシリコン化合物から成る基板と熱膨張係数がより近似する。このため、バッファ層を構成する第１の層と第２の層のうち少なくとも一方の層にインジウムを含めることによって、基板と発光機能を有する半導体領域との間の熱膨張係数の差に起因する半導体領域の歪を良好に防止できる。
（５）バッファ層の第１の層が１〜８ｎｍの量子力学的なトンネル効果を生じる厚みに設定されているので、バッファ層の抵抗値の増大を抑えて発光素子の消費電力及び動作電圧を低くすることができる。
（６）第２の層の厚みが１０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲に制限され、且つ第２の層にｎ形不純物としてシリコンが含まれている。第２の層の厚みが１０nm以上であれば、発光素子の動作時における第１及び第２の電極間の抵抗及び電圧が比較的小さくなる。即ち、もし、第２の層の厚みが１０nmよりも薄い時には、第２の層の価電子帯と伝導帯とに離散的なエネルギー準位が発生し、第２の層においてキャリアの伝導に関与するエネルギー準位が見かけ上増大する。この結果、基板と第２の層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第１及び第２の電極間の抵抗及び電圧が比較的大きくなる。これに対し、第２の層の厚みが１０nm以上になると、第２の層の価電子帯と伝導帯とにおける離散的なエネルギー準位の発生が抑制され、第２の層におけるキャリアの伝導に関与するエネルギー準位の増大が抑制される。この結果、基板と第２の層との間のエネルギバンドの不連続性の悪化が抑制され、発光素子の動作時の第１及び第２の電極間の抵抗及び電圧が小さくなる。
（７）シリコンとの格子定数の差が比較的小さいＡｌ x Ｇａ 1-x Ｎから成る第１の層が基板上に配置され、且つこれがＧａＮ又はＡｌ y Ｇａ 1-y Ｎから成る第２の層の相互間にも配置されるので、バッファ層の平坦性が良くなり、このバッファ層の上に形成される半導体領域の結晶性も良くなる。
請求項２の発明によれば、基板の上にバッファ層及び発光機能を有する半導体領域を良好に形成することができ、発光効率を高めることができる。即ち、基板の主面の面方位を（１１１）ジャスト面又は（１１１）ジャスト面からのオフ角度が小さい面とすることによって、バッファ層及び発光機能を有する半導体領域の結晶表面の原子ステップ即ち原子レベルでのステップを無くすこと又は少なくすることができる。もし、（１１１）ジャスト面からのオフ角度の大きい主面上にバッファ層及び発光機能を有する半導体領域を形成すると、これ等に原子レベルで見て比較的大きいステップが生じる。エピタキシャル成長層が比較的厚い場合には多少のステップはさほど問題にならないが、活性層のような数ｎｍオ−ダの厚みの薄い層を有する発光素子の場合には、発光素子を通電状態とした時にステップの近傍に発光に寄与しない電流即ち無効電流が流れ、発光効率が低下する。これに対して、基板の主面を（１１１）ジャスト面又はオフ角度の小さい面とすれば、ステップが小さくなり、無効電流も少なくなり、発光効率が大きくなる
請求項３の発明によればバッファ層を構成する第２の層が窒化インジウム系化合物半導体、例えばＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＩｎＮ、又はＡｌＩｎＧａＮから成るので、動作電圧を良好に低減することができる。即ち、第２の層を窒化インジウム系化合物半導体ではない窒化物系化合物半導体、例えばＧａＮ、ＡｌＧａＮ等とし、第１の層を窒化アルミニウムインジウム系化合物半導体とした場合でも基板との熱膨張係数差に起因する歪の発生を防止することができる。しかし、第２の層を窒化インジウム系化合物半導体で構成すれば、基板との熱膨張係数差に起因する歪の発生を防止することができると共に、基板のエネルギバンドと第２の層のエネルギバンドとの間の不連続性を改善することができ、キャリアがバッファ層を通過し易くなる。この結果、第１及び第２の電極間の動作抵抗及び動作電圧を低減することが可能になる。
請求項４の発明によれば、バッファ層上に発光機能を有する半導体領域を良好に形成することができる。
請求項５の発明によれば、活性層が反対導電形の２つの半導体層で挟まれた構造を有するため、発光特性の良好な半導体発光素子を提供できる。
請求項６の発明によれば、特性の良い半導体発光素子を安価且つ容易に形成することができる。
【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第１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。
【０００９】
図１及び図２に示す本発明の実施形態に従う青色発光ダイオードは、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−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）から成る発光層即ち活性層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、ｎ形の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。この基板１１のバッファ層１２が配置されている側の主面１１ａは、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面である。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図３（Ｂ）の示すようにバッファ層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 ＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ
ここで、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦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）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム アルミニウム）、及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム アルミニウム）から選択されたもので形成される。図１及び図２の実施形態では、前記式のｘが０．５、ｙが０．０１とされた材料に相当するＡｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎ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。アルミニウムを含む第１の層１２ａの格子定数及び熱膨張係数はシリコン基板１１の格子定数及び熱膨張係数と半導体領域１０の格子定数及び熱膨張係数との間の値を有する。
【００１３】
第２の層１２ｂは、
化学式 ＡｌaＩｎbＧａ1-a-bＮ
ここで、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦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形半導体の薄い膜である。即ち、第２の層１２ｂは、例えばＧａＮ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＮ及びＡｌＩｎＧａＮから選択されたもので形成される。図１及び図２の実施形態では、前記式のａが０．０５、ｂが０．３５とされた材料に相当するＡｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎが第２の層１２ｂに使用されている。第２の層１２ｂの価電子帯と伝導帯との間のギャップ即ちバンドギャップが第１の層１２ａのバンドギャップよりも小さい。第２の層１２ｂの抵抗を小さくするために、Ａｌの割合ａを第１の層１２ａのＡｌの割合ｘよりも小さい例えば０．８以下、より好ましくは０．１以下に設定することが望ましい。第２の層１２ｂは抵抗値の比較的小さい半導体として機能し、第１の層１２ａの相互間の電気的接続機能を有する。
【００１４】
バッファ層１２の第１の層１２ａの厚みT1は、好ましくは０．５ｎｍ〜１０ｎｍ即ち５〜１００オングストローム、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の平坦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T2は、好ましくは０．５ｎｍ〜３００ｎｍ即ち５〜３０００オングストロームであり、より好ましくは１０ｎｍ〜３００ｎｍである。第２の層１２ｂの厚みが０．５ｎｍ即ち５オングストローム未満の場合には、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即ち３０００オングストロームを超えた場合には、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の平坦性が良好に保てなくなる。
【００１６】
図４は第２の層１２ｂの厚みＴ2と発光素子の発光動作時におけるアノード電極１７とカソード電極１８との間の電圧Ｖfとの関係を示す。この図４から明らかなように、上記厚みＴ2が１０ｎｍよりも小さい時には電圧Ｖfが約４Ｖよりも高くなる。これに対して、厚みＴ2が１０ｎｍ又はこれよりも大きい時には、電圧Ｖfが４Ｖよりも小さくなる。
第２の層１２ｂの厚みＴ2が１０ｎｍ未満の時には、第２の層１２ｂによる第１の層１２ａの相互間の電気的接続機能が低下すると共に、シリコン基板１１と第２の層１２ｂとのエネルギバンドの不連続性が大きくなる。即ち、第２の層１２ｂの厚みが１０ｎｍよりも薄い時には、第２の層１２ｂの価電子帯と伝導帯とに離散的なエネルギー準位が発生し、第２の層１２ｂにおいてキャリアの伝導に関与するエネルギー準位が見かけ上増大する。即ち、第１の層１２ａと第２の層１２ｂとが超格子の状態になる。この結果、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。これに対し、第２の層１２ｂの厚みが１０ｎｍ以上になると、第２の層１２ｂの価電子帯と伝導帯とにおける離散的なエネルギー準位の発生が抑制され、第２の層１２ｂにおけるキャリアの伝導に関与するエネルギー準位の増大が抑制される。即ち、第１の層１２ａと第２の層１２ｂとが超格子の状態になることが阻止される。この結果、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の悪化が抑制され、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が低くなる。従って、この実施例の第１の層１２ａの厚みＴ1が５ｎｍ、第２の層１２ｂの厚みＴ2が３０ｎｍである。
【００１７】
次に、第１の層１２ａがＡｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎ、第２の層１２ｂがＡｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎとされたバッファ層１２を備えた発光素子の製造方法を説明する。
【００１８】
まず、図３の（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。バッファ層１２を形成するためのシリコン基板１１の一方の主面１１ａは、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面、即ち正確な（１１１）面である。しかし、図３において０で示す（１１１）ジャスト面に対して−θ〜+θで示す範囲で基板１１の主面１１ａを傾斜させることができる。−θ〜+θの範囲は−４°〜+４°であり、好ましくは−３°〜+３°であり、より好ましくは−２°〜+２°である。
【００１９】
図５は基板１１の主面１１ａの（１１１）ジャスト面に対するオフ角度θと発光強度比との関係を示す。ここでの発光強度比は、基板１１の主面１１ａが（１１１）ジャスト面された発光素子を所定電流で駆動した時の発光強度即ち発生光量Ｑ1と基板１１の主面１１ａが（１１１）面を基準にして（１１２）面方向に角度θだけ傾いた面にされた発光素子を所定電流で駆動した時の発光強度即ち発生光量Ｑ2との比Ｑ2／Ｑ1を示す。この図５から明らかなように（１１１）面からのオフ角度θが−４°〜+４°の範囲で発光強度比Ｑ2／Ｑ1が約０．０５以上となり、−３°〜+３°の範囲で発光強度比Ｑ2／Ｑ1が約０．５以上となり、−２°〜+２°の範囲で発光強度比Ｑ2／Ｑ1が０．８以上になる。ここで、発光強度比が大きいことは、発光素子の発光効率が大きいことを意味する。シリコン基板１１の主面１１ａの結晶方位を、（１１１）ジャスト面又は（１１１）ジャスト面からのオフ角度が小さい面とすることによって、バッファ層１２及び発光機能を有する半導体領域１０をエピタキシャル成長させる際の原子レベルでのステップを無くすこと又は小さくすることができる。もし、主面１１ａの結晶方位が（１１１）ジャスト面からのオフ角度が大きくなるように設定されている場合には、シリコン基板１１の主面１１ａ上にバッファ層１２及び発光機能を有する半導体領域１０をエピタキシャル成長で形成する時に、原子レベルで見て比較的大きいステップが生じる。エピタキシャル成長層が比較的厚い場合には多少のステップはさほど問題にならないが、活性層１４のように例えば２ｎｍのように薄い場合には、発光素子を通電状態とした時にステップの近傍に発光に寄与しない電流即ち無効電流が流れ、発光効率が低下する。これに対して、シリコン基板１１の主面１１ａを（１１１）ジャスト面又はオフ角度の小さい面とすれば、ステップが無くなるか又は小さくなり、無効電流も少なくなり、発光効率が大きくなる。
【００２０】
次に、図３（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Ａｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎから成る第１の層１２aとＡｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎ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、ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガス、ＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）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Ｔ1が約５ｎｍ即ち約５０オングストロームのＡｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎ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８００℃とした後に、ＴＭＡガスの流量即ちＡｌの供給量を約１４μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧガスの流量を３１μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩｎガスの流量を４７μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ3ガスの流量即ちＮＨ3の供給量を約０．２３ｍｏｌ／ｍｉｎとした。続いて、ＴＭＡガス、ＴＭＧガス及びＴＭＩｎガスの供給を止め、基板１１の加熱温度を７５０℃まで下げ、しかる後、ＴＭＡガス、ＴＭＧガス、ＴＭＩｎガス、ＮＨ3（アンモニア）ガス及びＳｉＨ4（シラン）ガスを約８３秒間供給して、第１の層１２ａの上面に、厚さＴ2が３０ｎｍ即ち３００オングストロームのｎ形のＡｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎ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、ＴＭＡガスの流量を２．８μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＧガスの流量を４６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＭＩｎガスの流量を５９μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ3ガスの流量即ちＮＨ3の供給量を約０．２３ｍｏｌ／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Ａｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎから成る第１の層１２ａとＡｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎから成る第２の層１２ｂの形成を１０回繰り返してＡｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎから成る第１の層１２ａとＡｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎ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Ａｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎから成る第１の層１２ａ、Ａｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎ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。
【００２１】
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。
【００２２】
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２０×１０-4μｍ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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
本実施形態の青色発光ダイオードによれば、次の効果が得られる。
（１） サファイアに比べて著しく低コストであり且つ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、ＧａＮ系発光ダイオードのコスト低減が可能である。
（２） 基板１１の一方の主面に形成されたＡｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎから成る第１の層１２ａ及びＡｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎから成る第２の層１２ｂとの複合層から成るバッファ層１２は、半導体領域１０の結晶性及び平坦性の改善に寄与する。即ち、バッファ層１２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。
（３） 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の平坦性が良くなる。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平坦性に優れたＧａＮ系半導体領域を形成することはできない。また、もし、第１の層１２ａのみでバッファ層１２を比較的厚く形成すると、バッファ層の抵抗が大きくなる。また、もし、第１の層１２ａのみでバッファ層１２を比較的薄く形成すると、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Ａｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎから成る第１の層１２ａとＡｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎから成る第２の層１２ｂとの複合層からなるバッファ層１２が介在しているため、ＧａＮ系半導体領域１０の平坦性が良くなる。この結果、ＧａＮ系半導体領域１０の発光特性が良くなる。
（４） アノード電極１７とカソード電極１８とが対向配置されているので、これ等の間に、順方向電圧を印加すると、半導体基体１６の厚み方向（縦方向）に順方向電流が流れる。このため、アノード電極１７とカソ−ド電極１８と間の抵抗値及び電圧を下げることができ、発光ダイオ−ドの消費電力を小さくすることが可能になる。
（５） 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。
（６） 基板１１とＧａＮ系半導体領域１０との熱膨張係数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。
なお、バッファ層１２にインジウムが含まれているので、バッファ層１２にインジウムを含めない場合よりもバッファ層１２の熱膨張係数をシリコン基板１１に近似させることができる。
（７） 第２の層１２ｂにＩｎが含まれており、且つ第２の層１２ｂの厚みが比較的厚い３０ｎｍであるので、基板１１のエネルギ−バンドと第２の層１２ｂのエネルギ−バンドとの不連続性が改善され、動作時におけるアノ−ド電極１９とカソ−ド電極１８との間の抵抗値及び電圧が低くなる。
（８） 従来のサファイア基板を使用した発光素子に比べてカソ−ド電極１８の形成が容易になる。即ち、従来のサファイア基板を使用した発光素子の場合は、図１及び図２のｐ形半導体層１５及び活性層１４に相当するものの一部を除去してｎ形半導体層１３の一部を露出させ、この露出したｎ形半導体層１３にカソ−ド電極を接続することが必要になった。このため、従来の発光素子は、カソ−ド電極が形成しにくいという欠点、及びカソ−ド電極を形成するためにｎ形半導体層の面積が大きくなるという欠点があった。図１及び図２の発光素子は上記欠点を有さない。
（９） シリコン基板１１の主面１１ａの結晶方位を（１１１）ジャスト面としたので、半導体領域１０におけるステップが少なくなり、発光効率が高くなる。
【００２９】
【第２の実施形態】
次に、図６を参照して第２の実施形態の半導体装置を説明する。但し、図６において図１と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３０】
図６の半導体装置は、図１に示した発光ダイオ−ドのシリコン基板１１に別の半導体素子としてのトランジスタ２０を設けたものである。トランジスタ２０は素子分離用のＰ形半導体領域２１の中に形成されたコレクタ領域Ｃとベ−ス領域Ｂとエミッタ領域Ｅとから成る。このように、発光ダイオ−ドとトランジスタとを複合化すると、これ等を含む回路装置の小型化及び低コスト化を図ることができる。
【００３１】
【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） 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。
（２） 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。
（３） ｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ形半導体層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。
（４） ｎ形半導体層１３、活性層１４及びｐ形半導体層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。
（５）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+形半導体領域を設けることができる。
（６） アノ−ド電極１７を透明電極とすることができる。
（７） バッファ層１２の第２の層１２ｂの数を第１の層１２ａよりも１層多くして基板１１と第１の層１２ａとの間に第２の層１２ｂを配置することができる。
（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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に従う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の発光ダイオ−ドの構造を製造工程順に拡大して示す断面図である。
【図４】第２の層の厚みと順方向電圧との関係を示す図である。
【図５】シリコン基板の主面の（１１１）ジャスト面に対するオフ角度と発光強化比との関係を示す図である。
【図６】第２の実施形態の半導体装置を示す断面図である。
【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 Ａｌ0.5Ｉｎ0.01Ｇａ0.49Ｎから成る第１の層
１２ｂ Ａｌ0.05Ｉｎ0.35Ｇａ0.6Ｎ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 (6)
- 窒化物系化合物半導体を含んでいる半導体発光素子であって、
不純物を含むシリコン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バッファ層と、
発光機能を得るために前記バッファ層の上に配置された複数の窒化物系化合物半導体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、
前記バッファ層は、
化学式 ＡlxＩｎyＧａ1-x-yＮ
ここで、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示すことができる材料から成り且つ量子力学的なトンネル効果を生じさせることができる１ｎｍ〜８ｎｍの厚みを有している第１の層と
化学式 ＡｌaＩｎbＧａ1-a-bＮ
ここで、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦１
を満足する数値、
で示すことができる材料から成り且つ前記第１の層よりも小さいバンドギャップを有し且つ１０ｎｍ〜３００ｎｍの厚みを有している第２の層とを交互に複数回繰り返して配置した複合層から成り、且つ前記第２の層にｎ形不純物としてシリコンが含まれ、且つ前記第１の層と第２の層の少なくとも一方にＩｎ（インジウム）が含まれていることを特徴とする半導体発光素子。 - 窒化物系化合物半導体を含んでいる半導体発光素子であって、
不純物を含むシリコン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バッファ層と、
発光機能を得るために前記バッファ層の上に配置された複数の窒化物系化合物半導体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、
前記基板の前記バッファ層が配置されている側の主面は、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面又は（１１１）面から−４度から＋４度の範囲で傾いている面であり、
前記バッファ層は、
化学式 ＡlxＩｎyＧａ1-x-yＮ
ここで、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示すことができる材料から成り且つ量子力学的なトンネル効果を生じさせることができる１ｎｍ〜８ｎｍの厚みを有している第１の層と
化学式 ＡｌaＩｎbＧａ1-a-bＮ
ここで、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、
０≦ｂ＜１、
ａ＋ｂ≦１
を満足する数値、
で示すことができる材料から成り且つ前記第１の層よりも小さいバンドギャップを有し且つ１０ｎｍ〜３００ｎｍの厚みを有している第２の層とを交互に複数回繰り返して配置した複合層から成り、前記第１の層と第２の層の少なくとも一方にＩｎ（インジウム）が含まれていることを特徴とする半導体発光素子。 - 前記バッファ層の前記第１の層は、ＡlxＩｎyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１を満足する数値である。）から成り、前記バッファ層の前記第２の層はＡlaＩｎbＧａ1-a-bＮ（但し、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、０＜ｂ＜１、ａ＋ｂ≦１、ｂ＞ｙを満足する数値である。）から成り且つ前記第１の層よりも小さいバンドギャップを有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。
- 前記半導体領域の前記複数の窒化物系化合物半導体層のそれぞれは、ＧａＮ（窒化ガリウム）層、ＡｌＩｎＮ（窒化 インジウム アルミニウム）層、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム アルミニウム）層、ＩｎＧａＮ（窒化ガリウム インジウム ）層、及びＩｎＡｌＧａＮ（窒化 ガリウム アルミニウム インジウム）層から選択されたものであ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。
- 前記半導体領域は、
前記バッファ層の上に配置された窒化物系化合物半導体から成る第１の導電形の第１の半導体層と、
前記第１の半導体層の上に配置された窒化物系化合物半導体から成る活性層と、
前記活性層の上に配置された窒化物系化合物半導体から成り且つ前記第１の導電形と反対の導電形を有している第２の半導体層と
を備え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。 - 窒化物系化合物半導体を有する半導体発光素子の製造方法であって、
不純物を含み且つ低い抵抗率を有し且つミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面又は（１１１）面から−４度から＋４度の範囲で傾いている主面を有し且つシリコンから成る基板を用意する工程と、
前記基板の上に気相成長法によってＡｌxＩｎyＧａ1-x-yＮ（但し、ｘ、ｙは、０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、ｘ＋ｙ≦１を満足する数値である。）から成り且つ量子力学的なトンネル効果を生じさせることができる１ｎｍ〜８ｎｍの厚みを有している第１の層と、ＡＩaｌｎbＧａ1-a-bＮ（但し、ａ、ｂは、０≦ａ＜１、０≦ｂ＜１、ａ＋ｂ≦１、ｂ＞ｙを満足する数値である。）から成り且つ前記第１の層よりも小さいバンドギャップを有し且つ１０ｎｍ〜３００ｎｍの厚みを有している第２の層とを交互に複数回繰り返して形成してバッファ層を得る工程と、
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から成る半導体領域を気相成長法によって形成する工程と、
前記半導体領域の表面上に第１の電極を形成し、前記基板の他方の主面に第２の電極を形成する工程と
を有す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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