JP4374720B2

JP4374720B2 - Group III nitride semiconductor light-emitting device and method for manufacturing the same

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Publication number: JP4374720B2
Application number: JP2000121370A
Authority: JP
Inventors: 隆宇田川
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Filing date: 2000-04-21
Publication date: 2009-12-02
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ｐ形の珪素（Ｓｉ）単結晶表面上にリン化硼素（ＢＰ）系材料からなる結晶層を介してＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を形成したエピタキシャルウェーハを用いて、ｎサイドアップ（ｓｉｄｅ−ｕｐ）型の発光ダイオード（ＬＥＤ）或いはレーザーダイオード等のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製するための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の作製に用いるＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を備えたエピタキシャルウェーハとして、導電性のＳｉ等の立方晶結晶を基板に用いて、その上にＩＩＩ族窒化物半導体であるＡｌ_XＧａ_YＩｎ_ZＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｚ≦１、Ｘ＋Ｙ＋Ｚ＝１）層を形成し、エピタキシャルウェーハを作製する従来技術が知られている（特開平１１−４０８５０号公報）。Ｓｉ等のダイアモンド型、或いはリン化ガリウム（ＧａＰ）等の閃亜鉛鉱型の立方晶結晶を基板として利用すれば、劈開性を利用して発光素子の端面が簡便に構成できる。さらにｐ形或いはｎ形導電性の低抵抗のＳｉ単結晶を基板とすれば、簡易に電極が形成できるという利点がある。
【０００３】
Ｓｉ結晶との格子ミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）を低減して、結晶欠陥密度の低い結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体結晶層をＳｉ単結晶基板上に形成するために、ＢＰからなる結晶層を、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層をその上に形成するための下地層としてＳｉ単結晶基板上に形成する技術が開示されている（特開平１１−１６２８４８号明細書参照）。また、閃亜鉛鉱型の結晶構造のＢＰからなる結晶層上には、バンド（ｂａｎｄ）構造からして、六方晶結晶に比較して低抵抗の立方晶のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層が形成され易い（特開平２−２７５６８２号明細書参照）。低抵抗の立方晶のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層は、発光素子のｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）構造の発光部を簡易に構成するために有利である。
【０００４】
しかし、一方でＩＩＩ族窒化物半導体結晶層は、生成エネルギーの低さからすれば、六方晶の結晶層となり易い傾向がある。（赤崎勇編著、「ＩＩＩ族窒化物半導体」（１９９９年１２月８日初版）（株）培風館発行、３７頁参照）このため、立方晶のＢＰからなる結晶層を下地層として、その上に立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の形成を意図しても、成長したＩＩＩ族窒化物半導体結晶層が下地層の結晶構造型の影響が薄れる層厚となると、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層が成長しやすくなる。そのため、立方晶のバンド構造上の特性を生かせば簡便に作製できる低抵抗のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層が、層厚が厚くなると安定して形成できない問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
積層構造から判別して、ＩＩＩ族窒化物半導体を用いたＬＥＤはｐサイドアップ型とｎサイドアップ型とに大別される。ｐサイドアップ型とは、ｎ形基板を下方として、発光層の上方に在る上部クラッド層がｐ形結晶層から構成されているＬＥＤである。逆に、ｎサイドアップ型とは、ｐ形基板を下方として、発光層の上方にｎ形結晶層からなる上部クラッド層が配置されてなるＬＥＤを指す。ｎサイドアップ型ＬＥＤでは、上部クラッド層或いはその上の電流拡散層がｐ形化合物半導体層に比較すれば一般に移動度が大きいｎ形化合物半導体層から構成されるため、元来、発光部の広範囲に素子動作電流を拡散するに有利となっている。即ち、高輝度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を簡便に獲得するに有利な構造となっている。
【０００６】
従って本発明では、従来の技術上の問題点を克服して、高輝度のｎサイドアップ型のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製するための技術を提供するものとする。特に本発明では、ｐ形Ｓｉ単結晶基板上にＢＰ系材料からなる結晶層を介して設けたＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を具備するエピタキシャルウェーハを利用して、ｎサイドアップ型のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製する際に、低抵抗のｐ形層を形成するのに有利である立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層と、簡便に形成され得る六方晶のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層とをうまく組み合わせて作製するための技術を提供する。さらに本発明は、立方晶と六方晶の結晶構造型を相違するＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を備えたエピタキシャルウェーハから作製したｎサイドアップ型のＩＩＩ族窒化半導体発光素子を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、ｐ形導電性の珪素（Ｓｉ）単結晶からなる基板と、該基板上に設けられた、リン化硼素（ＢＰ）系材料からなる緩衝層と、該緩衝層上に接して設けられた、ＢＰ系材料からなる立方晶のｐ形単結晶層と、該ｐ形単結晶層に接して設けられた立方晶のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層と、該ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層上に設けられた六方晶のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層とを具備するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子である。
特に本発明は、前記ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の層厚が１０ナノメータ（ｎｍ）以上で５００ｎｍ以下であるのが望ましい。また、前記ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層のドーパントが亜鉛（Ｚｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）または炭素（Ｃ）であることが望ましい。
本発明は、前記立方晶のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層及び六方晶のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層をＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の発光部に用いるものである。
【０００８】
また本発明は、ｐ形導電性のＳｉ単結晶からなる基板上に、ＢＰ系材料からなる緩衝層と、ＢＰ系材料からなる立方晶のｐ形単結晶層と、立方晶のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層と、六方晶のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層とを順次形成するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法において、前記ｐ形単結晶層を前記緩衝層の積層温度より高い温度で積層することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子の製造方法である。
特に本発明は、前記緩衝層の積層温度を３００℃〜４００℃とすることが望ましい。
また本発明は、前記立方晶のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の積層温度が、８００℃〜１０００℃であることが望ましい。
また本発明は、前記六方晶のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の積層温度を１０００℃以上とするのが望ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態では、ｐ形Ｓｉ単結晶を基板としてエピタキシャルウェーハを形成する。この場合、結晶面の方位を｛１００｝または｛１１１｝とする、硼素（Ｂ）が添加されたｐ形のＳｉ単結晶が基板として利用できる。｛１００｝−Ｓｉ単結晶を基板とすれば劈開を利用して簡易に個別素子に分割できる利点がある。また｛１１１｝−Ｓｉ単結晶を基板とすれば、その表面上には密着性に優れるＢＰ系材料からなる結晶層が形成できる利点がある。
【００１０】
上記のｐ形Ｓｉ単結晶基板表面上に、先ずＢＰ系材料からなる緩衝層を設ける。ＢＰ系材料とは、少なくとも、硼素（Ｂ）とリン（Ｐ）とを構成元素として含有する材料である。ＢＰ系材料には、リン化硼素（ＢＰ）の他に、窒化リン化硼素（組成式ＢＰ_XＮ_1-X：０＜Ｘ＜１）や砒化リン化硼素（組成式ＢＡｓ _1-X Ｐ _X：０＜Ｘ＜１）が含まれる。これらのＢＰ系材料からなる結晶層は、ハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）またはハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）気相成長（ＶＰＥ）法により積層できる。あるいは有機金属熱分解気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により積層できる。
【００１１】
ＢＰ系材料からなる緩衝層は、アズグローン（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）状態で非晶質（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ）を主体として構成されているのが最適である。これは例えばＢＰからなる単結晶層とＳｉ単結晶基板との約１７％に及ぶ大きな格子ミスマッチを効率的に緩和し、Ｓｉ単結晶基板上にＢＰ系材料からなる緩衝層を介してＢＰ系材料からなる立方晶のｐ形単結晶層を形成するためである。そのためＢＰ系材料からなる緩衝層の積層温度は、上記の成長法のいずれかによらず３００℃〜４００℃の低温とするのが好ましい。また上記緩衝層の層厚は、約５ｎｍから約５０ｎｍ程度が適する。また、緩衝層の層厚がおよそ１５ｎｍを越える場合は、ｐ形不純物をドーピングしてｐ伝導形の層となすのが望ましい。
このＢＰ系材料からなる緩衝層は、その上にＢＰ系材料からなる立方晶のｐ形単結晶層を積層した後は、多結晶あるいは非晶質からなる層となる。
【００１２】
ＢＰ系材料からなる立方晶のｐ形単結晶層は、上記の緩衝層上に接して成長させる。上記の緩衝層は、Ｓｉ単結晶基板とｐ形単結晶層との格子ミスマッチを緩和して、ミスフィット（ｍｉｓｆｉｔ）転位等の結晶欠陥の密度が小さく結晶性に優れるｐ形単結晶層をもたらす下地層として作用する。また上記の緩衝層は、その上にＢＰ系材料からなる立方晶のｐ形単結晶層を積層させるに際し、該ｐ形単結晶層が基板から剥離するのを抑制する機能層として作用する。
Ｓｉ単結晶及びＢＰ系材料からなるｐ形単結晶層が立方晶の結晶であることは、その上に立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を積層するのに有利に作用し、ＢＰ系材料からなるｐ形単結晶層に接合させて設けたＩＩＩ族窒化物半導体結晶層は、閃亜鉛鉱型の立方晶の結晶層となる。
【００１３】
本発明においてはｐ形Ｓｉ単結晶基板上に上記の緩衝層を介してＢＰ系材料からなるｐ形単結晶層を設ける。ＢＰ系材料からなるｐ形単結晶層は、三塩化硼素（ＢＣｌ₃）、三塩化リン（ＰＣｌ₃）、ジボラン（Ｂ₂Ｈ₆）やホスフィン（ＰＨ₃）等を原料として上記の一般的なＶＰＥ法により積層できる。また、トリエチルボラン（（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ）やＰＨ₃等を原料とするＭＯＣＶＤ法により積層できる。ＢＰ系材料からなる単結晶層の積層時にｐ形不純物をドーピングすれば、ｐ形の単結晶層が形成できる。好適なｐ形不純物として亜鉛（Ｚｎ）やマグネシウム（Ｍｇ）が例示できる。ｐ形のキャリア濃度としては約５×１０¹⁷ｃｍ^-3以上で約５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下であるのが好適である。約５×１０¹⁹ｃｍ^-3を越える高キャリア濃度の単結晶層では、総じて表面の平坦性が損なわれるため、表面の平坦性に優れる層をその上部に形成するのに不都合となる。
【００１４】
ＢＰ系材料からなるｐ形単結晶層は、上記のＢＰ系材料からなる緩衝層の場合とは異なり単結晶から形成する。この単結晶層は、積層温度を緩衝層の積層温度を越える温度とすることによって得られる。例えば、（Ｃ₂Ｈ₅）₃ＢとＰＨ₃とを原料ガスとして用いＨ₂を雰囲気ガスとする常圧（大気圧）のＭＯＣＶＤ法によるｐ形単結晶層の気相成長を例にすれば、単結晶層は積層温度を約５００℃〜８５０℃とすれば得られる。
また、上記のｐ形単結晶層の層厚は約５０ｎｍから約５μｍの範囲とするのが好適である。
【００１５】
ここで、例えば閃亜鉛鉱結晶型の立方晶のＢＰ結晶の格子定数は４．５３８Åであり、ＩＩＩ族窒化物半導体のひとつである立方晶の窒化ガリウム（ＧａＮ）結晶の格子定数（＝４．５１０Å）と略同等なため、両者の格子ミスマッチは小さい。従って立方晶のＢＰからなる単結晶層の上には、結晶欠陥が少なく結晶性に優れる立方晶のＧａＮ結晶層が成長できる。このように界面での格子ミスマッチが小さくなるように、ＢＰ系材料からなる立方晶のｐ形単結晶層と立方晶のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の組成を調整することにより、ｐ形単結晶層に接して、結晶欠陥が少なく結晶性に優れるｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を形成することが可能となる。
【００１６】
一般に立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体は、そのバンド構造からしてｎ形伝導層及びｐ形伝導層が簡便に形成できる。そのため六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層に比較して、低抵抗のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層が簡便に形成できる。立方晶のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層は、積層時に亜鉛（Ｚｎ）或いはマグネシウム（Ｍｇ）等の第ＩＩ族元素、或いは第ＩＶ族元素の炭素（Ｃ）をドーピングすれば形成できる。立方晶のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を積層するためには、積層温度を六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を積層する場合に比較して低温である８００℃〜１０００℃とするのが好都合である。本発明に係わる立方晶のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層としては、キャリア濃度が１×１０¹⁷ｃｍ^-3以上であり、抵抗率が１０オーム・センチメートル（Ω・ｃｍ）以下であるのが好ましい。上記のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層は、上記の気相成長手段のほかに、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）成長法によっても形成できる。
【００１７】
立方晶のＢＰ系材料からなるｐ形単結晶層上に立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を設ける場合でも、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の層厚が大になると該結晶層中で六方晶の結晶形態が優勢となる傾向がある。極端に層厚を大とするＩＩＩ族窒化物半導体結晶層は、立方晶と六方晶が混在する結晶層となり、立方晶を主体とするＩＩＩ族窒化物半導体結晶層が得られなくなる。従って、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を得るには、層厚を５００ｎｍ以下、好ましくは２００ｎｍ以下とするのがよい。立方晶のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層は、例えばｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部をなすｐ形クラッド層として利用できる。ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層をｐ形クラッド層として利用する場合には、キャリアの閉じ込め効果を充分に発揮させるために、層厚は１０ｎｍ以上であるのが好ましい。
【００１８】
六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層は、ＶＰＥ法やＭＯＣＶＤ法などの気相成長法により、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層上に形成できる。特に、気相成長手段によらずに、積層温度を立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の積層温度より高い１０００℃以上に設定することにより、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を効率的に形成することができる。但しこの場合、六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の積層温度は、該結晶の昇華の影響が無視できる温度とする。六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層は、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層上に他の層を介して積層してもよい。
ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層が立方晶か六方晶かは、一般的なＸ線回折分析法や電子線回折法等に依る回折パターン（ｐａｔｔｅｒｎ）から判定される。また例えばＸ線回折法に依れば、Ｘ線回折強度の比率から立方晶と六方晶との混在比率（重量比率）を知ることができる。ここで、立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層または六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層とは、それぞれ立方晶または六方晶を少なくとも８０重量％以上含む、立方晶または六方晶を主体とする結晶層をいう。
【００１９】
ｐｎ接合型ＤＨ構造のｎ形クラッド層は、立方晶よりも六方晶のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層から、より好都合に構成できる。例えば、ウルツ鉱結晶型（ｗｕｒｔｚｉｔｅ）の六方晶ＧａＮの禁止帯幅は約３．４エレクトロンボルト（ｅＶ）であり、立方晶のＧａＮの禁止帯幅は約３．２ｅＶである。従って、ｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を六方晶結晶から構成すれば、発光層に対してより接合障壁の高く、従ってより効率的にキャリアの閉じ込め効果を得られるクラッド層が形成できる利点がある。六方晶のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層は、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）状態でも得られるが、ｎ形不純物として周知の珪素（Ｓｉ）、硫黄（Ｓ）やセレン（Ｓｅ）を積層時にｎ形不純物としてドーピングすれば、キャリア濃度並びに抵抗率が調整されたｎ形結晶層を形成できる。ｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層がクラッド層として適切なキャリア濃度はおよそ１×１０¹⁸ｃｍ^-3前後或いはそれ以上である。また層厚は約５０ｎｍ以上で約５μｍ以下の範囲であるのが望ましい。
【００２０】
本発明に係わるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子は、ｐ形Ｓｉ単結晶基板上にＢＰ系材料からなる緩衝層及びＢＰ系材料からなるｐ形単結晶層を介して設けた立方晶のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層及び六方晶のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を具備し、立方晶のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層及び六方晶のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層をｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部に用いたエピタキシャルウェーハから作製する。このエピタキシャルウェーハのｐ形Ｓｉ単結晶基板の裏面にｐ形オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極を、またウェーハのエピタキシャル層の上にｎ形オーミック電極を各々形成し、個別素子に分離することによりｎサイドアップ型の発光素子が作製できる。この場合、ｐ形オーミック電極は例えばアルミニウム（Ａｌ）または金（Ａｕ）或いはそれらの合金から構成でき、ｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層へのｎ形オーミック電極は例えばＡｕまたはＡｕ合金などから構成できる。
【００２１】
【作用】
本発明のＳｉ単結晶基板上に設けたＢＰ系材料からなる緩衝層は、その上のＢＰ系材料からなるｐ形単結晶層とＳｉ単結晶基板との密着性を増強させる作用を有する。また、Ｓｉ単結晶基板とＢＰ系材料からなるｐ形単結晶層との格子ミスマッチを緩和して結晶性に優れるｐ形単結晶層をもたらす作用を有する。
【００２２】
また本発明のＢＰ系材料からなるｐ形単結晶層と立方晶のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層との界面での格子ミスマッチを小さくなるように、ｐ形単結晶層とｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の調整することにより、ｐ形単結晶層の上には、結晶欠陥が少なく結晶性に優れるｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を形成することができる。また立方晶のｐ形単結晶層は、立方晶のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を効率的にもたらす作用を有する。
【００２３】
また本発明では、発光部のｐ形クラッド層を立方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層、ｎ形クラッド層を六方晶のＩＩＩ族窒化物半導体結晶層で構成することにより、ｐ形クラッド層の抵抗率が低く、またｎクラッド層のキャリアの閉じ込め効果の大きいｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部を作製できる。
【００２４】
【実施例】
以下に本発明に係わるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を、実施例を基に詳細に説明する。図１はｐ形Ｓｉ単結晶基板を用いＩＩＩ族窒化物半導体層を発光部とする本実施例に係わるＬＥＤ１００の平面模式図である。また、図２は図１に示すＬＥＤ１００の破線Ａ−Ａ’に沿った断面模式図である。
【００２５】
本実施例ではまず、下記（１）〜（６）のｐ形のＳｉ単結晶からなる基板１０１、ＢＰからなる緩衝層１０２、ＢＰからなる立方晶のｐ形単結晶層１０３、立方晶のｐ形ＧａＮ層１０４、窒化ガリウムインジウムからなる発光層１０５、六方晶のｎ形ＧａＮ層１０６を備えたエピタキシャルウェーハを作製した。
（１）硼素（Ｂ）をドープしたｐ形の（１００）面を有するＳｉ単結晶からなる基板１０１。
（２）トリエチルボラン（（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ）とホスフィン（ＰＨ₃）を原料に用い水素（Ｈ₂）を雰囲気ガスとする常圧（大気圧）のＭＯＣＶＤ法により、ＰＨ₃と（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂとの供給比率（Ｖ／ＩＩＩ比率）を約１００に設定して、３５０℃で成長させた、層厚を約２０ｎｍとする非晶質のリン化硼素（ＢＰ）からなるＺｎドープでｐ形の緩衝層１０２。
（３）ジメチル亜鉛（（Ｃ₂Ｈ₅）₂Ｚｎ）をＺｎのドーピング原料とし、上記のＭＯＣＶＤ法により、上記緩衝層１０２上に約５５０℃で積層された、層厚を約１μｍとし、キャリア濃度が約２×１０¹⁸ｃｍ^-3である立方晶のＢＰからなるＺｎドープのｐ形単結晶層１０３。
（４）トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）とアンモニア（ＮＨ₃）を原料に用いＨ₂を雰囲気ガスとする常圧（大気圧）ＭＯＣＶＤ法により、８８０℃で成長させた層厚を約５０ｎｍとし、キャリア濃度を約１×１０¹⁸ｃｍ^-3としたＭｇドープの立方晶のｐ形ＧａＮ層１０４。
（５）（ＣＨ₃）₃Ｇａとシクロペンタジエニルインジウム（Ｉ）（Ｃ₅Ｈ₅Ｉｎ（Ｉ））とＮＨ₃を原料に用いＨ₂を雰囲気ガスとする常圧のＭＯＣＶＤ法により、８８０℃で成長させた、平均的なインジウム（Ｉｎ）組成比を約０．１５とする、Ｉｎ組成を相違する複数の相（ｐｈａｓｅ）からなる多相構造からなり、層厚を約１２ｎｍとするｎ形窒化ガリウムインジウム混晶（Ｇａ _0.85 Ｉｎ _0.15 Ｎ）からなる発光層１０５。
（６）（ＣＨ₃）₃ＧａとＮＨ₃を原料に用いＨ₂を雰囲気ガスとする常圧ＭＯＣＶＤ法により１０８０℃で成長させた、層厚を約１．５μｍとしキャリア濃度を約３×１０¹⁷ｃｍ^-3とした六方晶のｎ形ＧａＮ層１０６。ＬＥＤ１００は、上記のエピタキシャルウェーハから作製した。ここで、立方晶のｐ形ＧａＮ層１０４と発光層１０５と六方晶のｎ形ＧａＮ層１０６がＬＥＤ１００のｐｎ接合型ＤＨ構造の発光部となり、ｐ形ＧａＮ層１０４とｎ形ＧａＮ層１０６とがそれぞれｐ形クラッド層、ｎ形クラッド層に相当する。
【００２６】
このエピタキシャルウェーハを透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）法を利用した断面ＴＥＭ法及びＸ線回折法で解析した結果、ｐ形ＧａＮ層１０４は閃亜鉛鉱型の立方晶に起因する回折を示した。またｐ形ＧａＮ層１０４は、上記の如くキャリア（正孔）濃度が高く、且つ、抵抗率を約１Ω・ｃｍとする低抵抗の結晶層となった。
【００２７】
ＬＥＤ１００は、周知のフォトリソグラフィー（写真食刻）技術を利用して、上記のエピタキシャルウェーハに次のｎ形およびｐ形のオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極１０７、１０８を形成して作製した。
（７）最表面のｎ形ＧａＮ層１０６上に形成した、金（Ａｕ）からなる直径を約１３０μｍとする円形のｎ形オーミック電極１０７。
（８）Ｓｉ単結晶基板１０１の裏面の略全面に形成したアルミニウム（Ａｌ）からなるｐ形オーミック電極１０８。
次に、基板１０１のＳｉ単結晶の［１１０］方向の劈開性を利用して、オーミック電極１０７、１０８が形成されたエピタキシャルウェーハを、一般的なスクライブ手段により個別素子（チップ）に分割した。チップの平面形状は一辺を約３５０μｍとする正方形とした。
【００２８】
ｎ形およびｐ形オーミック電極１０７、１０８の間に順方向に動作電流を流通し、ＬＥＤ１００を発光させて次の発光特性を得た。
（ａ）発光波長＝４６０ｎｍ
（ｂ）発光輝度＝１．０カンデラ（ｃｄ）
（ｃ）順方向電圧＝３．６ボルト（Ｖ）（ただし順方向電流＝２０ｍＡとする）
（ｄ）逆方向電圧＝２０Ｖ以上（ただし逆方向電流＝１０μＡ）
特に本実施例では、ｐ形ＧａＮ層１０４を立方晶のＢＰからなるｐ形単結晶層１０３に接合させて設けたため、上記のように低抵抗の立方晶の結晶層とすることができ、その結果ＬＥＤ１００では順方向電圧を従来のＬＥＤより低下させることができた。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、ｐ形Ｓｉ単結晶基板上に、閃亜鉛鉱結晶型のＢＰ系材料からなる単結晶層に接合させて、立方晶のｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を形成するため、ｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層が低抵抗となり易い。また、六方晶のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層からｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部のｎ形クラッド層を形成できるため、高輝度のｎサイドアップ型のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例にかかわるＬＥＤの平面模式図である。
【図２】図１に示すＬＥＤの破線Ａ−Ａ’に沿った断面模式図である。
【符号の説明】
１００ＬＥＤ
１０１基板
１０２緩衝層
１０３Ｐ形単結晶層
１０４ｐ形ＧａＮ層
１０５発光層
１０６ｎ形ＧａＮ層
１０７ｎ形オーミック電極
１０８ｐ形オーミック電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention uses an epitaxial wafer in which a group III nitride semiconductor crystal layer is formed on a p-type silicon (Si) single crystal surface via a crystal layer made of a boron phosphide (BP) -based material. The present invention relates to a technique for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device such as a (side-up) type light emitting diode (LED) or a laser diode.
[0002]
[Prior art]
As an epitaxial wafer having a group III nitride semiconductor crystal layer used for manufacturing a group III nitride semiconductor light emitting device, a cubic crystal such as conductive Si is used as a substrate, and a group III nitride semiconductor is formed thereon. _{_{_{al X Ga Y in Z N (}}} 0 ≦ X ≦ 1,0 ≦ Y ≦ 1,0 ≦ Z ≦ 1, X + Y + Z = 1) layer is formed, prior art for fabricating an epitaxial wafer has been known (JP-a 11-40850). If a diamond-type cubic crystal such as Si or zinc-blende type cubic crystal such as gallium phosphide (GaP) is used as a substrate, the end face of the light-emitting element can be easily constructed by utilizing cleavage. Further, if a p-type or n-type conductive low-resistance Si single crystal is used as a substrate, there is an advantage that an electrode can be easily formed.
[0003]
In order to reduce a lattice mismatch with the Si crystal and form a group III nitride semiconductor crystal layer having a low crystal defect density and excellent crystallinity on the Si single crystal substrate, a crystal layer made of BP is formed by the III A technique for forming a group nitride semiconductor crystal layer on a Si single crystal substrate as an underlayer for forming the group nitride semiconductor crystal layer thereon is disclosed (see JP-A-11-162848). In addition, on the crystal layer made of BP having a zinc blende type crystal structure, a cubic p-type group III nitride semiconductor layer having a low resistance compared to a hexagonal crystal is formed due to a band structure. It is easy to form (see JP-A-2-275682). The low-resistance cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer is advantageous for easily constructing a light-emitting portion of a pn junction type double hetero (DH) structure of a light-emitting element.
[0004]
However, on the other hand, the group III nitride semiconductor crystal layer tends to be a hexagonal crystal layer because of its low generation energy. (Refer to Isao Akasaki, “Group III Nitride Semiconductor” (December 8, 1999, first edition), published by Baifukan Co., Ltd., page 37) For this reason, a crystal layer composed of cubic BP is used as an underlayer. Even when the formation of a cubic group III nitride semiconductor crystal layer is intended, if the grown group III nitride semiconductor crystal layer has a layer thickness that reduces the influence of the crystal structure type of the underlayer, the hexagonal group III nitride The semiconductor crystal layer is easily grown. Therefore, there is a problem that a low-resistance p-type group III nitride semiconductor crystal layer that can be easily produced by taking advantage of the characteristics of the cubic band structure cannot be stably formed as the layer thickness increases.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Differentiating from the laminated structure, LEDs using group III nitride semiconductors are roughly classified into p-side up type and n-side up type. The p-side-up type is an LED in which the n-type substrate is the lower side and the upper cladding layer above the light emitting layer is composed of a p-type crystal layer. Conversely, the n-side-up type refers to an LED in which an upper clad layer made of an n-type crystal layer is disposed above a light emitting layer with a p-type substrate facing downward. In an n-side-up type LED, the upper cladding layer or the current diffusion layer thereon is generally composed of an n-type compound semiconductor layer having a higher mobility than the p-type compound semiconductor layer. It is advantageous for spreading the device operating current. That is, the structure is advantageous for easily obtaining a high-luminance group III nitride semiconductor light-emitting device.
[0006]
Therefore, the present invention provides a technique for overcoming the conventional technical problems and for producing a high-luminance n-side-up group III nitride semiconductor light-emitting device. In particular, in the present invention, an n-side-up group III nitridation is performed using an epitaxial wafer having a group III nitride semiconductor crystal layer provided on a p-type Si single crystal substrate via a crystal layer made of a BP-based material. A cubic group III nitride semiconductor crystal layer that is advantageous for forming a low-resistance p-type layer and a hexagonal n-type group III nitride that can be easily formed when manufacturing a semiconductor light emitting device A technique for manufacturing a semiconductor crystal layer in combination with a semiconductor crystal layer is provided. Furthermore, the present invention provides an n-side-up group III nitride semiconductor light emitting device fabricated from an epitaxial wafer provided with a group III nitride semiconductor crystal layer having different crystal structures of cubic and hexagonal crystals.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
That is, the present invention relates to a substrate made of p-type conductive silicon (Si) single crystal, a buffer layer made of a boron phosphide (BP) -based material provided on the substrate, and a contact with the buffer layer. A cubic p-type single crystal layer made of a BP-based material, a cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer provided in contact with the p-type single crystal layer, and the p-type III A group III nitride semiconductor light emitting device comprising a hexagonal n-type group III nitride semiconductor crystal layer provided on a group nitride semiconductor crystal layer.
In particular, in the present invention, it is desirable that the p-type group III nitride semiconductor crystal layer has a thickness of 10 nanometers (nm) or more and 500 nm or less. The dopant of the p-type group III nitride semiconductor crystal layer is preferably zinc (Zn), magnesium (Mg), or carbon (C).
In the present invention, the cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer and the hexagonal n-type group III nitride semiconductor crystal layer are used in a light emitting part of a group III nitride semiconductor light-emitting device.
[0008]
The present invention also provides a buffer layer made of a BP material, a cubic p-type single crystal layer made of a BP material, and a cubic p-type group III on a substrate made of a p-type conductive Si single crystal. In the method for manufacturing a group III nitride semiconductor light-emitting device in which a nitride semiconductor crystal layer and a hexagonal n-type group III nitride semiconductor crystal layer are sequentially formed, the p-type single crystal layer is formed from a stacking temperature of the buffer layer. It is a method for producing a group III nitride semiconductor light-emitting device, characterized by stacking at a high temperature.
In particular, in the present invention, it is desirable that the temperature for stacking the buffer layer is 300 ° C to 400 ° C.
In the present invention, the cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer preferably has a lamination temperature of 800 ° C. to 1000 ° C.
In the present invention, it is desirable that the stacking temperature of the hexagonal n-type group III nitride semiconductor crystal layer is 1000 ° C. or higher.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In an embodiment of the present invention, an epitaxial wafer is formed using a p-type Si single crystal as a substrate. In this case, a p-type Si single crystal added with boron (B) having a crystal plane orientation of {100} or {111} can be used as the substrate. If a {100} -Si single crystal is used as a substrate, there is an advantage that it can be easily divided into individual elements using cleavage. Further, if a {111} -Si single crystal is used as a substrate, there is an advantage that a crystal layer made of a BP-based material having excellent adhesion can be formed on the surface.
[0010]
First, a buffer layer made of a BP-based material is provided on the surface of the p-type Si single crystal substrate. The BP material is a material containing at least boron (B) and phosphorus (P) as constituent elements. In addition to boron phosphide (BP), BP-based materials include boron nitride phosphide (composition formula BP _X N _1-X : 0 <X <1) and boron arsenide phosphide (composition formula BAs _1-X P _X : 0 <X <1) is included. Crystal layers made of these BP-based materials can be stacked by a halogen or hydride vapor phase epitaxy (VPE) method. Alternatively, lamination can be performed by metal organic pyrolysis vapor deposition (MOCVD).
[0011]
The buffer layer made of a BP material is optimally composed mainly of amorphous in an as-grown state. For example, a large lattice mismatch of about 17% between the single crystal layer made of BP and the Si single crystal substrate is effectively relaxed, and the BP material is provided on the Si single crystal substrate through the buffer layer made of the BP material. This is because a cubic p-type single crystal layer is formed. Therefore, it is preferable that the lamination temperature of the buffer layer made of the BP-based material is a low temperature of 300 ° C. to 400 ° C. regardless of any of the above growth methods. The thickness of the buffer layer is preferably about 5 nm to about 50 nm. Further, when the thickness of the buffer layer exceeds about 15 nm, it is desirable to form a p-conductivity type layer by doping p-type impurities.
The buffer layer made of the BP material becomes a layer made of polycrystal or amorphous after the cubic p-type single crystal layer made of the BP material is laminated thereon.
[0012]
A cubic p-type single crystal layer made of a BP material is grown in contact with the buffer layer. The above buffer layer relaxes the lattice mismatch between the Si single crystal substrate and the p-type single crystal layer, resulting in a p-type single crystal layer having a low density of crystal defects such as misfit dislocations and excellent crystallinity. Acts as an underlayer. The buffer layer functions as a functional layer that suppresses separation of the p-type single crystal layer from the substrate when a cubic p-type single crystal layer made of a BP material is laminated thereon.
The fact that the p-type single crystal layer made of the Si single crystal and the BP material is a cubic crystal has an advantageous effect on stacking the cubic group III nitride semiconductor crystal layer thereon, and the BP material. The group III nitride semiconductor crystal layer provided bonded to the p-type single crystal layer made of is a zinc blende type cubic crystal layer.
[0013]
In the present invention, a p-type single crystal layer made of a BP material is provided on a p-type Si single crystal substrate via the buffer layer. A p-type single crystal layer made of a BP-based material is made of the above-described general materials using boron trichloride (BCl ₃ ), phosphorus trichloride (PCl ₃ ), diborane (B ₂ H ₆ ), phosphine (PH ₃ ), or the like as a raw material. It can be laminated by the VPE method. Alternatively, the layers can be stacked by MOCVD using triethylborane ((C ₂ H ₅ ) ₃ B), PH ₃ or the like as a raw material. A p-type single crystal layer can be formed by doping a p-type impurity when laminating a single crystal layer made of a BP-based material. Examples of suitable p-type impurities include zinc (Zn) and magnesium (Mg). The p-type carrier concentration is preferably about 5 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more and about 5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ or less. In a single crystal layer having a high carrier concentration exceeding about 5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , the flatness of the surface is generally impaired, so that it is inconvenient to form a layer having an excellent surface flatness on the upper portion.
[0014]
The p-type single crystal layer made of a BP material is formed of a single crystal unlike the buffer layer made of the BP material. This single crystal layer can be obtained by setting the lamination temperature to a temperature exceeding the lamination temperature of the buffer layer. For example, as an example, vapor phase growth of a p-type single crystal layer by MOCVD at atmospheric pressure (atmospheric pressure) using (C ₂ H ₅ ) ₃ B and PH ₃ as source gases and H ₂ as an atmospheric gas. The single crystal layer can be obtained by setting the lamination temperature to about 500 ° C. to 850 ° C.
The layer thickness of the p-type single crystal layer is preferably in the range of about 50 nm to about 5 μm.
[0015]
Here, for example, the lattice constant of a zinc blende crystal type BP crystal is 4.538 cm, and the lattice constant of a cubic gallium nitride (GaN) crystal which is one of group III nitride semiconductors (= 4. Therefore, the lattice mismatch between the two is small. Therefore, a cubic GaN crystal layer with few crystal defects and excellent crystallinity can be grown on the single crystal layer made of cubic BP. Thus, by adjusting the composition of the cubic p-type single crystal layer and the cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer made of a BP material so as to reduce the lattice mismatch at the interface, the p-type is obtained. A p-type group III nitride semiconductor crystal layer with few crystal defects and excellent crystallinity can be formed in contact with the single crystal layer.
[0016]
In general, a cubic group III nitride semiconductor can easily form an n-type conductive layer and a p-type conductive layer because of its band structure. Therefore, a p-type group III nitride semiconductor crystal layer having a low resistance can be easily formed as compared with a hexagonal group III nitride semiconductor crystal layer. A cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer can be formed by doping a group II element such as zinc (Zn) or magnesium (Mg) or a group IV element carbon (C) during lamination. In order to stack the cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer, the stacking temperature is set to 800 ° C. to 1000 ° C., which is lower than that in the case of stacking the hexagonal group III nitride semiconductor crystal layer. Is convenient. The cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer according to the present invention has a carrier concentration of 1 × 10 ¹⁷ cm ⁻³ or more and a resistivity of 10 ohm · cm (Ω · cm) or less. Is preferred. The p-type group III nitride semiconductor crystal layer can be formed by a molecular beam epitaxy (MBE) growth method in addition to the vapor phase growth means.
[0017]
Even when a cubic group III nitride semiconductor crystal layer is provided on a p-type single crystal layer made of a cubic BP-based material, if the thickness of the group III nitride semiconductor crystal layer increases, There is a tendency for the crystal morphology of the crystals to dominate. The group III nitride semiconductor crystal layer having an extremely large layer thickness is a crystal layer in which cubic crystals and hexagonal crystals are mixed, and a group III nitride semiconductor crystal layer mainly composed of cubic crystals cannot be obtained. Therefore, in order to obtain a cubic group III nitride semiconductor crystal layer, the layer thickness should be 500 nm or less, preferably 200 nm or less. The cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer can be used as, for example, a p-type cladding layer forming a light emitting portion of a pn junction type DH structure. When the p-type group III nitride semiconductor crystal layer is used as the p-type cladding layer, the layer thickness is preferably 10 nm or more in order to sufficiently exhibit the carrier confinement effect.
[0018]
The hexagonal group III nitride semiconductor crystal layer can be formed on the cubic group III nitride semiconductor crystal layer by a vapor phase growth method such as VPE or MOCVD. In particular, the hexagonal group III nitride semiconductor crystal layer is made efficient by setting the stacking temperature to 1000 ° C. or higher, which is higher than the stacking temperature of the cubic group III nitride semiconductor crystal layer, regardless of the vapor phase growth means. Can be formed. However, in this case, the stacking temperature of the hexagonal group III nitride semiconductor crystal layer is a temperature at which the influence of sublimation of the crystal can be ignored. The hexagonal group III nitride semiconductor crystal layer may be laminated on the cubic group III nitride semiconductor crystal layer via another layer.
Whether the group III nitride semiconductor crystal layer is cubic or hexagonal is determined from a diffraction pattern (pattern) obtained by a general X-ray diffraction analysis method, electron beam diffraction method, or the like. For example, according to the X-ray diffraction method, the mixing ratio (weight ratio) of cubic and hexagonal crystals can be known from the ratio of X-ray diffraction intensity. Here, the cubic group III nitride semiconductor crystal layer or the hexagonal group III nitride semiconductor crystal layer is mainly composed of a cubic or hexagonal crystal containing at least 80 wt% or more of the cubic or hexagonal crystal, respectively. A crystal layer.
[0019]
The n-type cladding layer having a pn junction type DH structure can be more conveniently formed from a hexagonal n-type group III nitride semiconductor crystal layer than a cubic crystal. For example, the band gap of wurtzite hexagonal GaN is about 3.4 electron volts (eV), and the band gap of cubic GaN is about 3.2 eV. Therefore, if the n-type group III nitride semiconductor crystal layer is composed of a hexagonal crystal, there is an advantage that a cladding layer can be formed which has a higher junction barrier than the light emitting layer, and thus can obtain a carrier confinement effect more efficiently. is there. Although the hexagonal n-type group III nitride semiconductor crystal layer can be obtained even in an undoped state, silicon (Si), sulfur (S), or selenium (Se), which are well-known n-type impurities, are laminated when n-type impurities are stacked. As a result, an n-type crystal layer with adjusted carrier concentration and resistivity can be formed. An appropriate carrier concentration of the n-type group III nitride semiconductor crystal layer as a cladding layer is about 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ or more. The layer thickness is desirably in the range of about 50 nm or more and about 5 μm or less.
[0020]
The group III nitride semiconductor light emitting device according to the present invention is a cubic p-type III provided on a p-type Si single crystal substrate via a buffer layer made of a BP-based material and a p-type single crystal layer made of a BP-based material. A group III nitride semiconductor crystal layer and a hexagonal n-type group III nitride semiconductor crystal layer, and a cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer and a hexagonal n-type group III nitride semiconductor crystal layer are pn It is fabricated from an epitaxial wafer used for the light emitting part of the junction type DH structure. A p-type ohmic electrode is formed on the back side of the p-type Si single crystal substrate of this epitaxial wafer, and an n-type ohmic electrode is formed on the epitaxial layer of the wafer, respectively. The light emitting element can be manufactured. In this case, the p-type ohmic electrode can be made of, for example, aluminum (Al), gold (Au), or an alloy thereof, and the n-type ohmic electrode to the n-type group III nitride semiconductor crystal layer is made of, for example, Au or Au alloy it can.
[0021]
[Action]
The buffer layer made of the BP material provided on the Si single crystal substrate of the present invention has an effect of enhancing the adhesion between the p-type single crystal layer made of the BP material and the Si single crystal substrate. In addition, it has the effect of relaxing the lattice mismatch between the Si single crystal substrate and the p-type single crystal layer made of a BP-based material, thereby providing a p-type single crystal layer having excellent crystallinity.
[0022]
Further, the p-type single crystal layer and the p-type group III are reduced so as to reduce the lattice mismatch at the interface between the p-type single crystal layer made of the BP material of the present invention and the cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer. By adjusting the nitride semiconductor crystal layer, a p-type group III nitride semiconductor crystal layer with few crystal defects and excellent crystallinity can be formed on the p-type single crystal layer. The cubic p-type single crystal layer has an effect of efficiently providing a cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer.
[0023]
In the present invention, the p-type cladding layer of the light-emitting portion is composed of a cubic group III nitride semiconductor crystal layer, and the n-type cladding layer is composed of a hexagonal group III nitride semiconductor crystal layer. A light emitting portion having a pn junction type DH structure having a low resistivity and a large carrier confinement effect in the n clad layer can be produced.
[0024]
【Example】
The group III nitride semiconductor light emitting device according to the present invention will be described in detail below based on examples. FIG. 1 is a schematic plan view of an LED 100 according to the present embodiment using a p-type Si single crystal substrate and using a group III nitride semiconductor layer as a light emitting portion. FIG. 2 is a schematic sectional view taken along the broken line AA ′ of the LED 100 shown in FIG.
[0025]
In this embodiment, first, a substrate 101 made of a p-type Si single crystal of the following (1) to (6), a buffer layer 102 made of BP, a cubic p-type single crystal layer 103 made of BP, and a cubic p An epitaxial wafer including a GaN layer 104, a light emitting layer 105 made of gallium indium nitride, and a hexagonal n-type GaN layer 106 was produced.
(1) A substrate 101 made of Si single crystal having a p-type (100) plane doped with boron (B).
(2) PH ₃ and (by atmospheric pressure (atmospheric pressure) MOCVD method using triethylborane ((C ₂ H ₅ ) ₃ B) and phosphine (PH ₃ ) as raw materials and hydrogen (H ₂ ) as an atmospheric gas. C ₂ H ₅₎ supply ratio of ₃ B a (V / III ratio) is set to about 100, was grown at 350 ° C., an amorphous boron phosphide to approximately 20nm layer thickness (BP) Zn-doped p-type buffer layer 102.
(3) Dimethylzinc ((C ₂ H ₅ ) ₂ Zn) is used as a Zn doping raw material, and is deposited on the buffer layer 102 at about 550 ° C. by the MOCVD method. A Zn-doped p-type single crystal layer 103 made of cubic BP having a concentration of about 2 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ .
(4) The layer thickness grown at 880 ° C. by an atmospheric pressure (atmospheric pressure) MOCVD method using trimethylgallium ((CH ₃ ) ₃ Ga) and ammonia (NH ₃ ) as raw materials and H ₂ as an atmospheric gas is about Mg-doped cubic p-type GaN layer 104 having a thickness of 50 nm and a carrier concentration of about 1 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ .
(5) 880 by an atmospheric pressure MOCVD method using (CH ₃ ) ₃ Ga, cyclopentadienyl indium (I) (C ₅ H ₅ In (I)) and NH ₃ as raw materials and H ₂ as an atmospheric gas. N having an average indium (In) composition ratio of about 0.15 and a multiphase structure composed of a plurality of phases having different In compositions and a layer thickness of about 12 nm. emitting layer 105 made of shape gallium indium nitride mixed crystal (Ga _0.85 In _0.15 N).
(6) Grown at 1080 ° C. by atmospheric pressure MOCVD using (CH ₃ ) ₃ Ga and NH ₃ as raw materials and H ₂ as an atmospheric gas, with a layer thickness of about 1.5 μm and a carrier concentration of about 3 × 10 A hexagonal n-type GaN layer 106 having a thickness of ¹⁷ cm ⁻³ . LED100 was produced from said epitaxial wafer. Here, the cubic p-type GaN layer 104, the light-emitting layer 105, and the hexagonal n-type GaN layer 106 become the light-emitting portion of the pn junction DH structure of the LED 100, and the p-type GaN layer 104 and the n-type GaN layer 106 are formed. These correspond to a p-type cladding layer and an n-type cladding layer, respectively.
[0026]
As a result of analyzing this epitaxial wafer by a cross-sectional TEM method using a transmission electron microscope (TEM) method and an X-ray diffraction method, the p-type GaN layer 104 showed diffraction due to a zinc blende type cubic crystal. The p-type GaN layer 104 is a low-resistance crystal layer having a high carrier (hole) concentration and a resistivity of about 1 Ω · cm as described above.
[0027]
The LED 100 was manufactured by forming the following n-type and p-type ohmic electrodes 107 and 108 on the above-described epitaxial wafer using a well-known photolithography technique.
(7) A circular n-type ohmic electrode 107 formed on the outermost n-type GaN layer 106 and made of gold (Au) and having a diameter of about 130 μm.
(8) A p-type ohmic electrode 108 made of aluminum (Al) formed on substantially the entire back surface of the Si single crystal substrate 101.
Next, the epitaxial wafer on which the ohmic electrodes 107 and 108 were formed was divided into individual elements (chips) by a general scribing means using the [110] direction cleavage property of the Si single crystal of the substrate 101. The planar shape of the chip was a square with one side of about 350 μm.
[0028]
An operating current was passed between the n-type and p-type ohmic electrodes 107 and 108 in the forward direction to cause the LED 100 to emit light, and the following light emission characteristics were obtained.
(A) Emission wavelength = 460 nm
(B) Luminance = 1.0 candela (cd)
(C) Forward voltage = 3.6 volts (V) (however, forward current = 20 mA)
(D) Reverse voltage = 20V or more (however, reverse current = 10 μA)
In particular, in this embodiment, since the p-type GaN layer 104 is provided by being joined to the p-type single crystal layer 103 made of cubic BP, the low-resistance cubic crystal layer can be formed as described above. As a result, the forward voltage of the LED 100 could be reduced as compared with the conventional LED.
[0029]
【The invention's effect】
According to the present invention, a cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer is formed on a p-type Si single crystal substrate by bonding to a single crystal layer made of a zinc blende crystal type BP material. The p-type group III nitride semiconductor crystal layer tends to have a low resistance. Further, since the n-type cladding layer of the light emitting portion having the pn junction type double hetero (DH) junction structure can be formed from the hexagonal n-type group III nitride semiconductor crystal layer, the high-brightness n-side-up group III nitride is obtained. A semiconductor light emitting device can be manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic plan view of an LED according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view taken along the broken line AA ′ of the LED shown in FIG.
[Explanation of symbols]
100 LED
101 substrate 102 buffer layer 103 p-type single crystal layer 104 p-type GaN layer 105 light-emitting layer 106 n-type GaN layer 107 n-type ohmic electrode 108 p-type ohmic electrode

Claims

a substrate made of p-type conductive silicon (Si) single crystal, a buffer layer made of a boron phosphide (BP) material provided on the substrate, and a BP provided in contact with the buffer layer Cubic p-type single crystal layer made of a material, cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer provided in contact with the p-type single crystal layer, and p-type group III nitride semiconductor crystal layer A group III nitride semiconductor light emitting device comprising a hexagonal n-type group III nitride semiconductor crystal layer provided thereon.

2. The group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the p-type group III nitride semiconductor crystal layer has a thickness of 10 nanometers (nm) to 500 nm.

3. The group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein a dopant of the p-type group III nitride semiconductor crystal layer is zinc (Zn), magnesium (Mg), or carbon (C).

4. The group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer and the hexagonal n-type group III nitride semiconductor crystal layer are used in a light emitting part. element.

On a substrate made of p-type conductive Si single crystal, a buffer layer made of BP material, a cubic p-type single crystal layer made of BP material, and a cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer And a hexagonal n-type group III nitride semiconductor crystal layer, in which the p-type single crystal layer is stacked at a temperature higher than the stacking temperature of the buffer layer. A method for producing a Group III nitride semiconductor light-emitting device.

The method for producing a group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 5, wherein the buffer layer is stacked at a temperature of 300 ° C. to 400 ° C. 6.

The method for producing a group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 5 or 6, wherein a lamination temperature of the cubic p-type group III nitride semiconductor crystal layer is 800 ° C to 1000 ° C.

The method for producing a group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 5, wherein a lamination temperature of the hexagonal n-type group III nitride semiconductor crystal layer is 1000 ° C. or higher.