JP4658641B2 - リン化硼素系半導体発光素子 - Google Patents

Description

本発明は、禁止帯幅の高いリン化硼素系半導体層を利用して、格子不整合系構造でありながら、高い強度の発光をもたらせるリン化硼素系半導体発光素子に関するものである。

ｎ型またはｐ型のリン化硼素（ＢＰ）系半導体層は、従来から、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）を作製するのに利用されている。例えば、下記の特許文献１では、シリコン（Ｓｉ）基板上に設けた、珪素（Ｓｉ）を故意に添加したｎ型ＢＰ層上に形成した窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌＧａＮ）層を利用して青色ＬＥＤが構成されている。また。マグネシウム（Ｍｇ）をドーピングしたｐ型ＢＰ層はコンタクト層としてＬＥＤを構成するのに利用されている（特許文献１の段落［００２３］参照）。
特開平５−２８３７４４号公報

上記の如く、Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_1-X-YＮ（０≦Ｘ≦１，０≦Ｙ≦１）等のIII族窒化物半導体層と共に、化合物半導体発光素子を形成するのに利用されているのは、室温での禁止帯幅を２．０エレクトロンボルト（ｅＶ）とするリン化硼素である（例えば、特許文献２参照）。従って、高いバンドギャップに相応する青色の発光を呈する上記のＬＥＤを構成するのに際し、クラッド（ｃｌａｄ）層等としては利用されず、もっぱら、III族窒化物半導体層を成長させるための下地層として利用されている（特許文献１の段落［００１３］参照）。
特開平２−２８８３８８号公報

下地層としてリン化硼素層を、例えば、珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）基板に設ける場合、基板表面の結晶面の方位に依って、エピタキシャル成長するリン化硼素層の表面の面方位が決定されることが知られている。例えば、上記特許文献１の段落［００２５］では、シリコンの（１００）基板結晶面上には、（１００）リン化硼素層が成長し、その（１００）リン化硼素層の（１００）結晶表面には、立方晶の結晶構造のＡｌＧａＩｎＮ層が成長するとされている。一方、シリコンの（１１１）基板結晶面上には、（１１１）リン化硼素層が成長し、その（１１１）リン化硼素層の（１１１）結晶表面には、六方晶の結晶構造のＡｌＧａＩｎＮ層が成長するとされている。

そして、発光層等への適用が期待されている立方晶のＡｌＧａＩｎＮは、六方晶構造のIII族窒化物半導体との比較に於いて、結晶構造からして不安定であり（特許文献１の段落［０００２］参照）、六方晶結晶構造型のIII族窒化物半導体の場合程、安定して形成することが出来ないという問題がある。

そこで、上記したように、シリコンの（１１１）基板結晶面上の（１１１）リン化硼素層結晶表面に、結晶構造がより安定な六方晶の結晶構造のＡｌＧａＩｎＮ層を成長させることが検討されているが、この場合、立方晶が混在しない、六方晶の結晶層が得られる領域は、リン化硼素下地層との接合界面から５０ｎｍ未満の界面近傍の領域に限定されてしまう（特許文献１の段落［００２５］参照）。

すなわち、縦しんば、（１１１）シリコンを基板として形成したリン化硼素系半導体層に、純粋に六方晶結晶からなるIII族窒化物半導体層を十分な層厚で形成しようとしても、その形成は困難であるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、シリコンを基板として形成したリン化硼素系半導体層に、結晶性に優れた六方晶結晶からなるIII族窒化物半導体層を十分な層厚で形成することができ、したがって高い発光強度を発揮させることができるリン化硼素系半導体発光素子を提供することを目的とする。

１）上記目的を達成するために、第１の発明は、リン化硼素系半導体発光素子であって、（１１１）−珪素単結晶基板と、上記珪素単結晶基板の（１１１）表面上に設けられた、双晶を含む第１の立方晶リン化硼素系半導体層と、上記第１の立方晶リン化硼素系半導体層上に設けられた六方晶のIII族窒化物半導体からなる発光層と、上記発光層上に設けられ、双晶を含むとともに上記第１の立方晶リン化硼素系半導体層とは伝導型が異なる第２の立方晶リン化硼素系半導体層と、を有し、上記第１の立方晶リン化硼素系半導体層は、［１１０］結晶方向が珪素単結晶の［１１０］結晶方向に平行に配向しており、上記発光層は、第１の立方晶リン化硼素系半導体層の［１１０］結晶方向に［−２１１０］結晶方向が平行に配向するとともに、（０００１）結晶面を表面とし、上記第２の立方晶リン化硼素系半導体層は、その成長初期における成長速度を毎分２ｎｍ以上で１０ｎｍ以下とすることで、発光層の（０００１）結晶表面との接合領域に、（１１１）結晶面を双晶面とする（１１１）双晶を含む、ことを特徴としている。

２）第２の発明は、上記した１）項に記載の発明の構成に加えて、上記第１の立方晶リン化硼素系半導体層は、（１１１）−珪素単結晶基板の（１１１）結晶表面との接合領域に、（１１１）結晶面を双晶面とする（１１１）双晶を含んでいる、ことを特徴としている。

３）第３の発明は、上記した１）項または２）項の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記第１の立方晶リン化硼素系半導体層は、不純物を故意に添加していないアンドープの層である、ことを特徴としている。

４）第４の発明は、上記した１）項から３）項の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記発光層は、リンの原子濃度が層厚の増加方向に減少している、ことを特徴としている。

５）第５の発明は、上記した１）項に記載の発明の構成に加えて、上記第２の立方晶リン化硼素系半導体層は、発光層の［−２１１０］結晶方向に［１１０］結晶方向が平行に配向している、ことを特徴としている。

６）第６の発明は、上記した１）項から５）項の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記第２の立方晶リン化硼素系半導体層は、不純物を故意に添加していないアンドープの層である、ことを特徴としている。

７）第７の発明は、上記した１）項から６）項の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記第１及び第２の立方晶リン化硼素系半導体層は、室温での禁止帯幅が２．８エレクトロンボルト（ｅＶ）以上である、ことを特徴としている。

８）第８の発明は、上記した１）項から７）項の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記第１及び第２の立方晶リン化硼素系半導体層は、クラッド層として備えられている、ことを特徴としている。

９）第９の発明は、上記した１）項から８）項の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記第２の立方晶リン化硼素系半導体層は、発光層からの発光を外部に透過する窓層として備えられている、ことを特徴としている。

１０）第１０の発明は、上記した１）項から９）項の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記第２の立方晶リン化硼素系半導体層は、素子駆動電流を拡散させる電流拡散層として備えられている、ことを特徴としている。

１１）第１１の発明は、上記した１）項から１０）項の何れかに記載の発明の構成に加えて、上記第２の立方晶リン化硼素系半導体層は、電極を形成するためのコンタクト層として備えられている、ことを特徴としている。

本発明では、珪素単結晶基板の表面上に設けられた、双晶を含む第１の立方晶リン化硼素系半導体層と、その第１の立方晶リン化硼素系半導体層上に設けられた六方晶のIII族窒化物半導体からなる発光層と、その発光層上に設けられた、双晶を含む第２の立方晶リン化硼素系半導体層とでリン化硼素系半導体発光素子を構成するようにした。すなわち、珪素単結晶基板上に、格子ミスマッチ度の高い第１の立方晶リン化硼素系半導体層を成長させる際に、その接合領域の第１の立方晶リン化硼素系半導体層の内部に双晶を含めるようにしたので、双方間の格子ミスマッチを緩和することができ、その格子ミスマッチを緩和した第１の立方晶リン化硼素系半導体層に六方晶のIII族窒化物半導体からなる発光層を設けたので、結晶性に優れた発光層を十分な層厚で形成することができる。したがって高い発光強度を発揮させることができる。

また、六方晶のIII族窒化物半導体からなる発光層に、第２の立方晶リン化硼素系半導体層を成長させる際に、その接合領域の第２の立方晶リン化硼素系半導体層の内部に双晶を含めるようにしたので、発光層と第２の立方晶リン化硼素系半導体層との間の格子ミスマッチを緩和することができ、その第２の立方晶リン化硼素系半導体層を格子歪みの少ないものとすることができる。したがって、局所的な耐圧不良の少ない耐圧特性に優れる発光素子を製造することができる。

以下にこの発明の実施の形態を詳細に説明する。

本発明に係わるリン化硼素系半導体とは、硼素（Ｂ）とリン（Ｐ）とを構成元素として含む、例えばＢ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_1-α-β-γＰ_1-δＡｓ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）であり、またＢ_αＡｌ_βＧａ_γＩｎ_1-α-β-γＰ_1-δＮ_δ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）であり、また単量体のリン化硼素（ＢＰ）、リン化硼素・ガリウム・インジウム（組成式Ｂ_αＧａ_γＩｎ_1-α-γＰ：０＜α≦１、０≦γ＜１）、また窒化リン化硼素（組成式ＢＰ_1-δＮ_δ：０≦δ＜１）や砒化リン化硼素（組成式Ｂ_αＰ_1-δＡｓ_δ）等の複数のＶ族元素を含む混晶である。

アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）等の第III族元素と、リン（Ｐ）や砒素（Ａｓ）等の第Ｖ族元素から構成されるIII−Ｖ族化合物半導体は、立方晶閃亜鉛鉱型（ｓｐｈａｌｅｒｉｔｅ）または六方晶ウルツ鉱型（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）の何れかの結晶型にも成り得ることがグリム・ゾンマーフェルト規則に依り、教示されている（「工業化学基礎講座５ 無機工業化学」、昭和４８年２月２５日、（株）朝倉書店発行、６版、２２０頁参照）。従来技術でも、六方晶のリン化硼素はIII族窒化物半導体層を成長させるための下地層として利用されている（上記特許文献１参照）。しかし、本発明では、立方晶閃亜鉛鉱型のリン化硼素系半導体層を用いて、リン化硼素系半導体発光素子を構成する。立方晶閃亜鉛鉱型半導体結晶では、価電子帯（ｖａｌｅｎｃｅ ｂａｎｄ）側が縮退しているため、ウルツ鉱型半導体結晶と比較すれば、クラッド層等に好適に使用できるｐ型の伝導層が得られ易いからである。

本発明では、立方晶閃亜鉛鉱型のリン化硼素系半導体層を確実に得るために、同型の結晶型であるダイヤモンド結晶構造型の珪素単結晶を基板として利用する。珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）からなる基板上には、ハロゲン法、ハイドライド法やＭＯＣＶＤ（有機金属化学的気相堆積）法に依り、リン化硼素系半導体層を形成する。または、分子線エピタキシャル法で形成する。例えば単量体のリン化硼素層を、トリエチル硼素（分子式：（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ）とホスフィン（分子式：ＰＨ３）を用いてＭＯＣＶＤ法で形成する。

上記の様な気相成長手段でリン化硼素系半導体層を成長させるのに際し、形成時の原料供給比率（所謂、Ｖ／III比率）を高値とすれば、基板とする珪素単結晶の表面の面方位が（１１１）とは異なっていても、例えば、（１００）或いは（１１０）であっても、主に（１１１）結晶面が積重してなる（１１１）リン化硼素系半導体層が得られ易くなく傾向がある。しかし、当初から、（１１１）珪素単結晶を基板として利用すれば、Ｖ／III比率が低値であっても（１１１）リン化硼素系半導体層を成長させることができる。従って、本発明では、表面を（１１１）結晶面とする（１１１）珪素単結晶を基板として利用する。（１１１）珪素単結晶の伝導型は、第１の伝導型とする。即ち、発光素子用途の積層構造体を構成するのには、第１の伝導型の珪素単結晶基板上に、第１の伝導型のリン化硼素系半導体層を堆積する。

表面を（１１１）結晶面とする（１１１）珪素単結晶を基板として利用すれば、低いＶ／III比率でも、（１１１）リン化硼素系半導体層を成長できるため、例えばアンドープでｐ型のＢＰ層を形成するのに優位となる。例えば、ＭＯＣＶＤ法にあって、Ｖ／III比率（ＰＨ₃／（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ供給濃度比率）を１０〜５０と低値としても、１０００℃〜１２００℃の温度で、ｐ型（１１１）リン化硼素系半導体層を簡易に成長できる。形成温度及びＶ／III比率に加えて、成長速度を精密に制御すれば、（１１１）珪素単結晶基板上に禁止帯幅の大きな（１１１）リン化硼素系半導体層を形成できる。成長速度は、毎分２ｎｍ以上で３０ｎｍ以下の範囲とするのが適する。

（１１１）珪素単結晶基板上に、（１１１）リン化硼素系半導体層、例えば単量体のリン化硼素層を気相成長させる際に、成長の初期段階での成長速度を大として形成すると、基板と接合する近傍の領域に双晶（ｔｗｉｎ）を効率的に発生させることができる。珪素単結晶との格子不整合度が大である程、成長速度をさほど大とせずとも基板との接合領域で双晶を発生させ易くなる。例えば、格子ミスマッチ度を約１６．４％とする珪素単結晶（格子定数＝５．４３０９Å）とリン化硼素（格子定数＝４．５３８３Å）との接合領域には、毎分２０ｎｍの成長速度で約５×１０¹¹ｃｍ^-2の面密度で双晶を発生させることができる。双晶の密度は、リン化硼素系半導体層の層厚方向で減少する。双晶の密度は、例えば、断面ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）像に撮像された一定領域内での双晶粒界の数を計数すれば求められる。

この接合領域に発生させた双晶は、珪素単結晶基板とリン化硼素系半導体層との格子ミスマッチを緩和して、結晶性に優れるリン化硼素系半導体層をもたらす作用を有する。双晶は、立方晶閃亜鉛鉱型リン化硼素系半導体層の（１１１）結晶面を双晶面とするものであるのが好ましい。（１１１）双晶は、（１１１）珪素単結晶基板とリン化硼素系半導体層との格子ミスマッチを緩和するのに特に効果を奏する。リン化硼素系半導体層内での（１１１）双晶の有無は、電子線回折像に異常回折斑点が出現することから知れる。

（１１１）双晶を発生させることで、結晶性を向上させた広禁止帯幅の（１１１）リン化硼素系半導体層は、化合物半導体発光素子にあって、例えばクラッド層等のバリア作用を有する障壁層として利用することができる。特に室温での禁止帯幅を２．８エレクトロンボルト（ｅＶ）以上、望ましくは３．５ｅＶ以上とするリン化硼素系半導体層は好ましく利用できる。例えばクラッド層は、室温でのキャリア濃度を１×１０¹⁹ｃｍ^-3以上とし、抵抗率を５×１０^-2Ω・ｃｍ以下とする低抵抗のリン化硼素系半導体層から好適に形成できる。クラッド層を構成するｐ型リン化硼素系半導体層の層厚は、５０ナノメータ（ｎｍ）以上で５０００ｎｍ以下とするのが適する。

また、（１１１）珪素単結晶基板上に形成した、（１１１）リン化硼素系半導体からなるクラッド層等は、その上に六方晶ウルツ鉱結晶型のIII族窒化物半導体層を形成するのに効果を奏する。表面を（１１１）結晶面とするリン化硼素系半導体層上には、面方位を（０００１）とする、例えば窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ_XＩｎ_1-XＮ：０≦Ｘ≦１）や窒化リン化ガリウム（組成式ＧａＮ_1-YＰ_Y：０≦Ｙ≦１）等からなる発光層を成長させることができる。（１１１）リン化硼素系半導体層の［１１０］結晶方向に、底面格子のａ軸（［−２１１０］方向）を平行に配向したＧａ_XＩｎ_1-XＮ（０≦Ｘ≦１）等は発光層を構成するのに好適である。インジウム組成（＝１−Ｘ）を相違する複数の相（ｐｈａｓｅ）を含む多相構造のＧａ_XＩｎ_1-XＮ層から構成すれば、発光強度のより高いリン化硼素系半導体発光素子を形成するのに有効となる。

また、第１（基板上層側）の立方晶リン化硼素系半導体層から第２（発光層上層側）の立方晶リン化硼素系半導体層へ向けて、リン原子濃度を減少させたIII族窒化物半導体から発光層を構成すると、第１のリン化硼素系半導体層との密着性に優れ、尚且つ、高い強度の発光をもたらす発光層を形成することができる。例えば第１のリン化硼素系半導体層を気相成長させた後、成長に使用したリン（Ｐ）の原料ガスを緩やかに成長系外へ排出しつつ、その上に発光層をなすIII族窒化物半導体層を成長させるための窒素の原料ガスを徐々に、成長系内へ供給すれば、リン原子濃度に勾配を付した発光層を形成することができる。この際、リンの原料を成長系の外部へ排出する時間を長く保てば、発光層内のリン原子濃度の減少をより緩やかにできる。第１のリン化硼素系半導体層側の発光層底面でのリン原子濃度は、両層の密着性の観点からして、５×１０¹⁸ｃｍ^-3以上で２×１０²⁰ｃｍ^-3以下であるのが適する。第２のリン化硼素系半導体層側の発光層表面でのリンの原子濃度は、発光強度の観点から、５×１０¹⁹ｃｍ^-3以下とするのが適する。発光層の内部でのリン原子の濃度分布は、例えば２次イオン質量分析（ＳＩＭＳ）法で計測することができる。

上記の様な、配向関係を有するウルツ鉱結晶型III族窒化物半導体層の（０００１）結晶面は、その上層に（１１１）立方晶リン化硼素系半導体層を形成するのに有効に作用する。（０００１）III族窒化物半導体層であれば、例えば、表面が（０００１）ＧａＮ層であれば、“double positioning”様式をもって（P.HIRSCH他著、「ELECTRON MICROSCOPY OF THIN CRYSTAL」、Krieger Pub.Com.（１９７７，U.S.A.），３０６頁参照）、（１１１）リン化硼素層を簡便に成長させることができる。［−２１１０］結晶方向に、［１１０］結晶方向を平行とする（１１１）リン化硼素系半導体層は格子歪も少なくクラッド層や青色光或いは緑色光等の可視光を発光素子の外部へ透過するための窓層として有効に利用することができる。

（０００１）III族窒化物半導体層の表面に、（１１１）リン化硼素系半導体層を成長させるのに際し、接合領域に（１１１）双晶を含ませると、特に結晶性に優れる（１１１）リン化硼素系半導体層が得られる。接合領域に双晶を形成するのには、（１１１）リン化硼素系半導体層の成長速度を変調させる。（１１１）珪素単結晶基板上に（１１１）リン化硼素系半導体層を成長させる場合とは逆に、成長初期に於ける成長速度を小とする。例えば毎分２ｎｍ以上で１０ｎｍ以下とするのが好適である。層厚が増加すると共に、成長速度を経時的に増加させて、例えば毎分２０ｎｍ以上で３０ｎｍ以下として、リン化硼素系半導体層を短期間で成長させるとすると、リン（Ｐ）等の揮散性の高い構成元素の散逸を防止して、所望の伝導型とキャリア濃度を有するリン化硼素系半導体層を得るのに貢献することができる。

（０００１）III族窒化物半導体層上に設けた、禁止帯幅の大きな（１１１）リン化硼素系半導体層は、クラッド層、窓層またはコンタクト層として利用することができる。例えば禁止帯幅が約５ｅＶを超えると、発光の透過性を確保するのに優位となるものの、発光層との障壁差が大となり、順方向電圧或いは閾値電圧の低いリン化硼素系半導体発光素子を得るのに不利となる。禁止帯幅は、例えば屈折率及び消衰係数の波長分散性から求めることができる。クラッド層、窓層またはコンタクト層にしても、不純物を故意に添加しない、アンドープのリン化硼素系半導体層は、ドーピングした不純物の拡散に因る他層の変性を回避するのに効果がある。

本発明に係わるリン化硼素系半導体発光素子は、上記の双晶を含むリン化硼素系半導体層からなるクラッド層、窓層またはコンタクト層の表面上に一方の極性のオーミック電極を、また例えば珪素単結晶基板の裏面に他の一方の極性のオーミック電極を設けて形成する。ｎ型リン化硼素系半導体層については、金・ゲルマニウム（Ａｕ・Ｇｅ）合金等からｎ型オーミック電極を構成できる。ｐ型リン化硼素系半導体層については、金（Ａｕ）・亜鉛（Ｚｎ）や金（Ａｕ）・ベリリウム（Ｂｅ）合金、或いはニッケル（Ｎｉ）合金から構成することができる。例えば一辺の長さを５００μｍ以上とする平面積の大きなＬＥＤを構成する際には、リン化硼素系半導体層の表面に広範囲に亘り、例えば直径を２０μｍ〜５０μｍとする円形で小型のオーミック電極を分散させつつ、互いに電気的に導通させて配置する手段が有効となる。素子駆動電流を平面的に広範囲に拡散できため、発光強度の高い、或いは発光面積の大きなＬＥＤを得るのに好都合となるからである。

（１１１）珪素単結晶基板上に形成した（１１１）リン化硼素（ＢＰ）層と、（１１１）ＢＰ層上に形成した（０００１）窒化ガリウム・インジウム発光層とを備えたリン化硼素系ＬＥＤを構成する場合を例にして本発明を具体的に説明する。

図１は本発明に係わるダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造のＬＥＤを作製するために使用した積層構造体の断面構造を模式的に示す図である。図において、積層構造体１１はＬＥＤチップ１０を作製するためのものであり、この積層構造体１１は、リンドープｎ型（１１１）珪素（Ｓｉ）単結晶基板１０１上に、アンドープでｎ型の（１１１）リン化硼素からなる下部クラッド層１０２、ｎ型（０００１）窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_0.90Ｉｎ_0.10Ｎ）井戸層と（０００１）窒化ガリウム障壁層とを３周期で重層させた多重量子井戸構造の発光層１０３、およびアンドープでｐ型の（１１１）リン化硼素からなる上部クラッド層１０４を、順次堆積して形成した。

発光層１０３は下部クラッド層１０２に接して井戸層が形成され、その井戸層から順に障壁層、井戸層、障壁層、井戸層、障壁層が積層され、最上の障壁層が上部クラッド層１０４に接している。

アンドープのｎ型（１１１）リン化硼素層（下部クラッド層１０２）、及びアンドープのｐ型（１１１）リン化硼素層（上部クラッド層１０４）は、トリエチル硼素（分子式：（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｂ）を硼素（Ｂ）源とし、ホスフィン（分子式：ＰＨ₃）をリン源とする常圧（略大気圧）有機金属気相エピタキシー（ＭＯＶＰＥ）手段を利用して形成した。ｎ型（１１１）リン化硼素層（下部クラッド層１０２）は９２５℃で、ｐ型（１１１）リン化硼素層（上部クラッド層１０４）は１０２５℃で形成した。発光層１０３は、トリメチルガリウム（分子式：（ＣＨ₃）₃Ｇａ）／ＮＨ₃／Ｈ₂反応系常圧ＭＯＣＶＤ手段により、８００℃で形成した。井戸層を構成する上記の窒化ガリウム・インジウム層は、インジウム組成を相違する複数の相（ｐｈａｓｅ）から構成される多相構造から構成し、その平均的なインジウム組成は０．１０（＝１０％）であった。井戸層の層厚は５ｎｍ、障壁層の層厚は１０ｎｍとした。

（１１１）珪素単結晶基板１０１の表面上に、下部クラッド層１０２をなす（１１１）リン化硼素層を成長させる初期の段階に於いて、成長速度は毎分２５ｎｍに設定した。５０ｎｍの層厚に達する迄、同成長速度で成長させた後、成長速度を毎分２０ｎｍに減少させて、全体の層厚が６００ｎｍに達する迄、成長を継続した。一方、（０００１）III族窒化物半導体からなる発光層１０３上に、上部クラッド層１０４を成長させる際の初期の成長速度は毎分１０ｎｍとし、以後、２０ｎｍに増加させて全厚を２００ｎｍとするｐ型上部クラッド層１０４を成長させた。低い成長速度（毎分１０ｎｍ）で成長させた部分の層厚は２５ｎｍとした。

下部クラッド層１０２をなすアンドープのｎ型（１１１）リン化硼素層のキャリア（正孔）濃度は６×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、また、室温での抵抗率は８×１０^-3Ω・ｃｍであった。また、上部クラッド層１０４をなすアンドープのｐ型（１１１）リン化硼素層のキャリア（正孔））濃度は２×１０¹⁹ｃｍ^-3であり、また室温での抵抗率は５×１０^-2Ω・ｃｍであった。

屈折率（ｎ）及び消衰係数（ｋ）の積値（＝ｎ・ｋ）の２倍値（＝２・ｎ・ｋ）の光子エネルギー依存性から求めた室温での禁止帯幅は、下部クラッド層１０２をなすｎ型（１１１）リン化硼素層について３．１ｅＶであった。また、上部クラッド層１０４をなすｐ型（１１１）リン化硼素層について４．２ｅＶであった。このため、ｐ型リン化硼素からなる上部クラッド層１０４は、発光層１０３からの発光を外部へ透過するための窓層を兼用するｐ型クラッド層を構成するのに足るものとなった。

（１１１）珪素単結晶基板１０１と下部クラッド層１０２との接合領域のｎ型（１１１）リン化硼素層の内部領域（基板１０１との接合界面から厚さ５０ｎｍに至るｎ型リン化硼素層の領域）から得られた制限視野電子線回折（ＳＡＤ）像には、双晶に起因する異常回折スポットが出現した。異常回折斑点が、｛１１１｝回折スポットの中間に、｛１１１｝回折スポット間の間隔の１／３の間隔で規則的に配列していたことから、この双晶は、（１１１）双晶であることが示された。

また、（０００１）III族窒化物半導体発光層１０３と上部クラッド層１０４との接合領域のｐ型（１１１）リン化硼素層の内部領域（多重量子井戸構造の発光層１０３との接合界面から厚さ２５ｎｍに至るｐ型リン化硼素層の内部領域）から得られた制限視野電子線回折（ＳＡＤ）像にも、（１１１）双晶に起因する異常回折スポットが認められた。即ち、何れの接合領域にも（１１１）双晶の存在が確認された。

一般的な断面ＴＥＭ技法で、上記の接合領域の格子像を撮像して、（１１１）双晶粒界の数を計数した。（１１１）珪素単結晶基板１０１とｎ型下部クラッド層１０２との接合界面近傍の領域での（１１１）双晶の面密度は約６×１０¹¹ｃｍ^-2であった。（１１１）双晶の密度は、また層厚の増加方向に漸次、減少しており、ｎ型下部クラッド層１０２の表面近傍の領域では、７×１０⁸ｃｍ^-2に減少していた。

また、（０００１）III族窒化物半導体発光層１０３と上部クラッド層１０４との接合領域に於ける、ｐ型（１１１）リン化硼素層の内部の（１１１）双晶の密度は約２×１０¹⁰ｃｍ^-2であった。その表面近傍での（１１１）双晶の密度は、極端に減少しており、約５×１０⁷ｃｍ^-2であった。

また、一般的な透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を使用してエピタキシャル成長層１０２〜１０４の配向関係を調査した。電子ビームを、（１１１）珪素単結晶基板１０１の［１１０］方向に平行に入射させてＴＥＤパターンを撮像した。下部クラッド層１０２をなすｎ型（１１１）リン化硼素層からは、（１１０）結晶面に対応する逆格子パターンが得られた。これにより、珪素単結晶基板１０１の［１１０］結晶方向に平行に、ｎ型（１１１）リン化硼素層の［１１０］結晶方向が配向しているのが示された。また、同じくＴＥＤパターンから、六方晶のIII族窒化物半導体発光層１０３の［−２１１０］結晶方向に、［１１０］結晶方向を平行にしてｐ型（１１１）リン化硼素層（上部クラッド層１０４）が成長しているのが示された。

また、下部クラッド層１０２の成長終了後、下部クラッド層１０２を成長させるためのリン原料として使用していたホスフィン（ＰＨ₃）ガスの成長系への供給を直ちに遮断せずに、その流量を毎分４３０ｃｃから０ｃｃへ５秒間を掛けて経時的の徐々に減少させた。この操作が発光層１０３の内部のリン原子濃度の分布に与える影響を調査するため、発光層の１０３の内部でのリン原子濃度の層厚の増加方向での分布を一般的なＳＩＭＳ法で分析した。その結果、下部クラッド層１０２に最も近接している井戸層内のリン原子濃度は、平均して約９×１０¹⁹ｃｍ^-3であった。また。発光層１０３の中央部の井戸層内のリン原子濃度は、平均して約２×１０¹⁹ｃｍ^ー3であった。

また、上部クラッド層１０４に最も近接した井戸層の内部のリン原子濃度は平均して約６×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、発光層１０３の層厚方向に、リン原子濃度が減少しているのが認められた。

発光を外部へ取り出す窓層を兼用する上部クラッド層１０４をなすｐ型リン化硼素層の表面の全面に、通常の真空蒸着法に依り、金・ゲルマニウム（Ａｕ・Ｇｅ）合金膜、ニッケル（Ｎｉ）膜、及び金（Ａｕ）膜を順に被着させた。次に、結線用の台座電極を兼ねるｐ型オーミック電極１０５を設ける上部クラッド層１０４の中央部に限り、底面部をＡｕ・Ｇｅ合金膜とする上記の３層重層電極を残置させるために、公知のフォトリソグラフィー技術を利用して選択的にパターニングを施した。次に、ｐ型オーミック電極１０５とする以外の領域に在る金属膜をエッチング除去し、上部クラッド層１０４の表面を露出させた。フォトレジスト材を剥離した後、再び、チップに裁断するための格子状の溝を設けるために選択的パターニングを施した。然る後、塩素を含むハロゲン系混合ガスを利用したプラズマドライエッチング手法に依り、上記のパターニングを施した領域に限定して、上部クラッド層１０４を選択的にエッチングで除去し、チップへの裁断用の溝を形成した。

一方、珪素単結晶基板１０１の裏面の全面には、一般の真空蒸着法に依り金（Ａｕ）膜を被着させて、ｎ型オーミック電極１０６を形成した。珪素単結晶基板１０１の（１１１）表面に直交する［１１０］結晶方位に平行に設けた、線幅を５０μｍとする上記の帯状の溝に沿って劈開し、一辺を３５０μｍとする正方形のＬＥＤチップ１０とした。

ｐ型オーミック電極１０５及びｎ型オーミック電極１０６の間に、順方向に２０ｍＡの素子駆動電流を流通してＬＥＤチップ１０の発光特性を確認した。ＬＥＤチップ１０からは中心の波長を４４０ｎｍとする青色帯光が放射された。発光スペクトルの半値幅は２２０ミリエレクトロンボルト（ｍｅＶ）であった。一般的な積分球を利用して測定される樹脂モールド以前のチップ状態での輝度は１０ミリカンデラ（ｍｃｄ）であった。また、順方向電流を２０ｍＡとした際の順方向電圧（Ｖｆ）は３．１Ｖと低値となった。一方、逆方向電流を１０μＡとした際の逆方向電圧は９．５Ｖと高値となった。また、局所的な耐圧不良も殆ど発生しなかった。

このように、この発明では、格子ミスマッチ度の高い珪素単結晶基板上に成長させたリン化硼素系半導体層を利用してリン化硼素系半導体発光素子を形成する場合、珪素基板等との格子ミスマッチを緩和する（１１１）双晶を含む（１１１）リン化硼素系半導体層に接合させて（０００１）III族窒化物半導体からなる発光層を設けることとしたので、結晶性に優れる発光層がもたらされ、従って、高い発光強度のリン化硼素系発光素子をもたらすに効果を奏することができる。

また、（０００１）III族窒化物半導体からなる発光層に接合させて設ける、窓層を兼ねる上部クラッド層を、（１１１）双晶を含む、［−２１１０］方向に［１１０］方向を平行として配向した、格子歪みの少ない（１１１）リン化硼素系半導体層から構成したので、局所的な耐圧不良の少ない耐圧特性に優れるリン化硼素系半導体ＬＥＤ等を提供することができる。

本発明に係わるダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造のＬＥＤを作製するために使用した積層構造体の断面構造を模式的に示す図である。

符号の説明

１０ ＬＥＤチップ
１１ 積層構造体
１０１ 珪素単結晶基板
１０２ 下部クラッド層
１０３ 発光層
１０４ 上部クラッド層
１０５ ｐ型オーミック電極
１０６ ｎ型オーミック電極

Claims (11)

1. （１１１）−珪素単結晶基板と、
   上記珪素単結晶基板の（１１１）表面上に設けられた、双晶を含む第１の立方晶リン化硼素系半導体層と、
   上記第１の立方晶リン化硼素系半導体層上に設けられた六方晶のIII族窒化物半導体からなる発光層と、
   上記発光層上に設けられ、双晶を含むとともに上記第１の立方晶リン化硼素系半導体層とは伝導型が異なる第２の立方晶リン化硼素系半導体層と、
   を有し、
   上記第１の立方晶リン化硼素系半導体層は、［１１０］結晶方向が珪素単結晶の［１１０］結晶方向に平行に配向しており、
   上記発光層は、第１の立方晶リン化硼素系半導体層の［１１０］結晶方向に［−２１１０］結晶方向が平行に配向するとともに、（０００１）結晶面を表面とし、
   上記第２の立方晶リン化硼素系半導体層は、その成長初期における成長速度を毎分２ｎｍ以上で１０ｎｍ以下とすることで、発光層の（０００１）結晶表面との接合領域に、（１１１）結晶面を双晶面とする（１１１）双晶を含む、
   ことを特徴とするリン化硼素系半導体発光素子。
2. 上記第１の立方晶リン化硼素系半導体層は、（１１１）−珪素単結晶基板の（１１１）結晶表面との接合領域に、（１１１）結晶面を双晶面とする（１１１）双晶を含んでいる、請求項１に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
3. 上記第１の立方晶リン化硼素系半導体層は、不純物を故意に添加していないアンドープの層である、請求項１または２に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
4. 上記発光層は、リンの原子濃度が層厚の増加方向に減少している、請求項１から３の何れかに記載のリン化硼素系半導体発光素子。
5. 上記第２の立方晶リン化硼素系半導体層は、発光層の［−２１１０］結晶方向に［１１０］結晶方向が平行に配向している、請求項１に記載のリン化硼素系半導体発光素子。
6. 上記第２の立方晶リン化硼素系半導体層は、不純物を故意に添加していないアンドープの層である、請求項１から５の何れかに記載のリン化硼素系半導体発光素子。
7. 上記第１及び第２の立方晶リン化硼素系半導体層は、室温での禁止帯幅が２．８エレクトロンボルト（ｅＶ）以上である、請求項１から６の何れかに記載のリン化硼素系半導体発光素子。
8. 上記第１及び第２の立方晶リン化硼素系半導体層は、クラッド層として備えられている、請求項１から７の何れかに記載のリン化硼素系半導体発光素子。
9. 上記第２の立方晶リン化硼素系半導体層は、発光層からの発光を外部に透過する窓層として備えられている、請求項１から８の何れかに記載のリン化硼素系半導体発光素子。
10. 上記第２の立方晶リン化硼素系半導体層は、素子駆動電流を拡散させる電流拡散層として備えられている、請求項１から９の何れかに記載のリン化硼素系半導体発光素子。
11. 上記第２の立方晶リン化硼素系半導体層は、電極を形成するためのコンタクト層として備えられている、請求項１から１０の何れかに記載のリン化硼素系半導体発光素子。

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