JP4701513B2

JP4701513B2 - 発光素子及びその製造方法

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Publication number: JP4701513B2
Application number: JP2001039623A
Authority: JP
Inventors: 康二大塚; 哲次杢; 将貴柳原
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2001-02-16
Filing date: 2001-02-16
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2021-02-16
Also published as: JP2002246644A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子及びその製造方法に関し、詳しくは、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発光素子の発光機能層に、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）等の窒化ガリウム系化合物半導体を用いると、紫外から緑色までの波長帯の光を発光できることから、窒化ガリウム系化合物半導体を用いた発光素子が近年注目されている。このような発光素子は、一般に、サファイアまたはシリコンカーバイドから形成された基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光機能層を積層し、基板をダイシング、スクライビング、または劈開することにより形成されている。
【０００３】
しかし、サファイアやシリコンカーバイドから形成された基板は硬質であるため、ダイシング等を容易に行うことができず、発光素子の生産性が悪くなってしまうという問題があった。また、サファイアやシリコンカーバイドから形成された基板は高価であり、材料コスト面からも問題があった。
【０００４】
このため、発光素子の基板をサファイアやシリコンカーバイドではなく、シリコンによって構成し、シリコン基板上に窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光機能層を積層して、発光素子を製造する試みがなされている。発光素子の基板にシリコン基板を用いる場合には、シリコン基板上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなるバッファ層を介して発光機能層が形成されている。窒化アルミニウムからなるバッファ層を配したのは、バッファ層がシリコン基板の面方位を受け継ぎ、バッファ層の上面に結晶性の良好な窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光機能層を形成できるためである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、窒化アルミニウムのバンドギャップは約６．２ｅｖであり、Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{１−ｘ−ｙ}Ｎ系化合物半導体の中で最も広いバンドギャップを有している。このため、シリコン基板上に窒化アルミニウムからなるバッファ層を介して発光機能層を形成すると、ＡｌＮバッファ層がシリコン基板と発光機能層との間に電位障壁を形成し、発光素子の駆動電圧が高くなるという問題がある。例えば、サファイア等から形成された基板上にバッファ層を介して発光機能層を形成した発光素子の駆動電圧に比較して、順方向電圧が２．５倍以上大きくなってしまう。
【０００６】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、シリコン基板上に結晶性の良好な発光機能層を形成でき、駆動電圧を低減することができる発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の第１の観点にかかる発光素子は、シリコン基板と、前記シリコン基板上に形成され、複数の孔を有する窒化アルミニウム層と、少なくとも前記孔内に形成され、ガリウムとインジウムとシリコンとを主成分とする複数の金属化合物領域と、前記窒化アルミニウム層及び前記金属化合物領域上に形成され、ガリウムとインジウムとを含む窒化物系化合物半導体層と、前記窒化物系化合物半導体層上に形成され、発光機能を有する窒化物系化合物半導体からなる発光機能層とを備え、前記金属化合物領域は、前記孔内と、前記シリコン基板及び前記窒化物系化合物半導体層の前記孔に対向する領域に形成され、前記窒化物系化合物半導体層の前記孔に対向しない位置にはシリコンが拡散していない、ことを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、少なくとも窒化アルミニウム層の孔内にガリウムとインジウムとシリコンとを主成分とする金属化合物領域が形成されている。このため、シリコン基板と窒化アルミニウム層と窒化物系化合物半導体層とからなる経路（導電路）に比べて電位障壁が相対的に低い、シリコン基板と金属化合物領域と窒化物系化合物半導体層とからなる導電路が形成され、発光素子の駆動電圧が低減される。また、シリコン基板と窒化物系化合物半導体層との間に窒化アルミニウム層が形成されているので、シリコン基板上の窒化物系化合物半導体層及び発光機能層の結晶性が良好になる。
【０００９】
前記窒化アルミニウム層は、その全面に前記複数の孔が点在するように形成されていることが好ましい。前記孔は、それぞれ０．０３μｍ^２〜３００μｍ^２の面積に形成されていることが好ましい。０．０３μｍ^２〜３００μｍ^２の面積に形成されていると、電位障壁が相対的に低い導電路が形成しやすくなる。
【００１０】
前記各孔は、その間隔が１０μｍ以内に形成されていることが好ましい。各孔が１０μｍ以内の間隔に形成されていると、金属化合物領域上に窒化物系化合物半導体層が形成されやすくなる。
【００１１】
前記孔は、その面積の合計が前記窒化アルミニウム層の面積の３０％以上に形成されていることが好ましい。孔の面積の合計が窒化アルミニウム層の面積の３０％以上に形成されていると、電位障壁が相対的に低い導電路が形成されやすくなる。
【００１３】
前記窒化物系化合物半導体層は、１ｎｍ〜１００ｎｍの厚さに形成されていることが好ましい。１ｎｍ〜１００ｎｍの厚さに形成されていると、電位障壁が相対的に低い導電路が形成しやすくなる。また、窒化物系化合物半導体層にクラックが発生しなくなる。
【００１４】
前記窒化物系化合物半導体層と前記発光機能層との間に、ガリウム及びインジウムの反応を抑制可能な窒化アルミニウムからなる反応抑制層を備えることが好ましい。反応抑制層を備えることにより、発光機能層の結晶性が劣化しにくくなる。
【００１５】
前記反応抑制層と前記発光機能層との間に、該発光機能層よりバンドギャップの小さい窒化物系化合物半導体層を備えることが好ましい。バンドギャップの小さい窒化物系化合物半導体層を介在させることにより、発光機能層との間の電位障壁が小さくなり、バンド構造の変化が滑らかになる。
【００１６】
この発明の第２の観点にかかる発光素子の製造方法は、シリコン基板上に、窒化アルミニウム層を形成する工程と、前記窒化アルミニウム層に複数の孔を形成する工程と、少なくとも前記孔内にガリウムとインジウムとシリコンとを主成分とする金属化合物領域をそれぞれ形成する工程と、前記窒化アルミニウム層上及び前記金属化合物領域上に、ガリウムとインジウムとを含む窒化物系化合物半導体層を形成する工程と、前記窒化物系化合物半導体層上に、発光機能を有する窒化物系化合物半導体からなる発光機能層を形成する工程とを備え、前記金属化合物領域をそれぞれ形成する工程では、前記孔内と、前記シリコン基板及び前記窒化物系化合物半導体層の前記孔に対向する領域に前記金属化合物領域を形成し、前記窒化物系化合物半導体層を形成する工程では、前記孔に対向しない位置にはシリコンが拡散していない、ことを特徴とする。
【００１７】
この構成によれば、窒化アルミニウム層の孔内にガリウムとインジウムとシリコンとを主成分とする金属化合物領域が形成され、電位障壁が相対的に低い導電路が形成される。このため、発光素子の駆動電圧が低減される。また、シリコン基板と窒化物系化合物半導体層との間に窒化アルミニウム層が形成され、シリコン基板上に結晶性が良好な窒化物系化合物半導体層及び発光機能層が形成される。
【００１８】
前記孔を前記窒化アルミニウム層の全面に点在するように形成することが好ましい。
【００１９】
前記孔の面積を０．０３μｍ^２〜３００μｍ^２の範囲内に形成すると、電位障壁が相対的に低い導電路を形成しやすくなる。また、前記各孔の間隔を１０μｍ以内に形成すると、金属化合物領域上に窒化物系化合物半導体層を形成しやすくなる。さらに、前記孔の面積の合計を前記窒化アルミニウム層の面積の３０％以上に形成すると、電位障壁が相対的に低い導電路を形成しやすくなる。
【００２０】
前記窒化物系化合物半導体層と前記発光機能層との間に、窒化アルミニウムからなる反応抑制層を形成する工程を備えると、発光機能層の結晶性が劣化しにくくなる。また、前記反応抑制層と前記発光機能層との間に、該発光機能層よりバンドギャップの小さい窒化物系化合物半導体層を形成する工程を備えると、発光機能層との間の電位障壁が小さくなり、バンド構造の変化が滑らかになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の発光素子及びその製造方法について説明する。
図１に本実施の形態の発光素子の構造を示す。図１に示すように、発光素子１は、半導体基体２と、半導体基体２の上面に電気的に接続されたアノード電極３と、半導体基体２の下面に電気的に接続されたカソード電極４とを備えている。
【００２２】
半導体基体２は、シリコン基板５と、シリコン基板５上に形成され、複数の孔６ａを有する窒化アルミニウム層としての第１窒化アルミニウム層６と、少なくとも孔６ａ内に形成された金属化合物領域７と、第１窒化アルミニウム層６及び金属化合物領域７上に形成され、ガリウムとインジウムとを含む第１窒化物系化合物半導体層８と、第１窒化物系化合物半導体層８上に形成された反応抑制層としての第２窒化アルミニウム層９と、第２窒化アルミニウム層９上に形成された第２窒化物系化合物半導体層１０と、第２窒化物系化合物半導体層１０上に形成された発光機能層１１とを備えている。
【００２３】
シリコン基板５は、ｎ形導電形の不純物、例えば、砒素（Ａｓ）が５×１０^１８ｃｍ^−３〜５×１０^１９ｃｍ^−３程度の比較的高濃度にドープされたｎ^＋形のシリコン単結晶基板から構成されている。そして、その抵抗率は０．００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍ程度である。このため、シリコン基板５は、実質的に導電体であり、カソード電極４とともに電極として機能する。また、シリコン基板５は、発光機能層１１等の支持部材として機能し、発光機能層１１等を良好に支持できるように、例えば、３５０μｍ程度の厚みに形成されている。
【００２４】
第１窒化アルミニウム層６は、シリコン基板５上に形成されている。図２に第１窒化アルミニウム層６の平面図を示す。図２に示すように、第１窒化アルミニウム層６は、その全面に第１窒化アルミニウム層６を貫通する複数の孔６ａが点在するように形成されている。また、第１窒化アルミニウム層６は、第１窒化物系化合物半導体層８からのガリウム及びインジウムの拡散を抑制可能な厚さ、例えば、０．５ｎｍ〜３００ｎｍの厚さに形成されている。
【００２５】
この第１窒化アルミニウム層６は、シリコン基板５上に窒化物系化合物半導体（例えば、第１窒化物系化合物半導体層８）を膜成長させるためのバッファ層として機能する。シリコン基板５の表面に、窒化物系化合物半導体を直接膜成長させることは困難であるが、バッファ層として機能する第１窒化アルミニウム層６を介して形成させることにより、シリコン基板５上に窒化物系化合物半導体を膜成長させることができる。これは、第１窒化アルミニウム層６はシリコン基板５の面方位を受け継ぐことができ、シリコン基板５上に第１窒化アルミニウム層６を介することで、シリコン基板５上に結晶性の良好な窒化ガリウム系化合物半導体層を形成することができるためである。
【００２６】
第１窒化アルミニウム層６の孔６ａ内には、金属化合物領域７が形成されている。金属化合物領域７は、シリコン基板５と第１窒化物系化合物半導体層８との間に介在して、これらの間の電気的接続を良好にする。このため、シリコン基板５と金属化合物領域７と第１窒化物系化合物半導体層８とからなる経路には、シリコン基板５と第１窒化アルミニウム層６と第１窒化物系化合物半導体層８とからなる経路に比べて、電位障壁が相対的に低い導電路が形成される。従って、金属化合物領域７は、シリコン基板５と第１窒化物系化合物半導体層８との間の電位障壁を低減する機能を有する。
【００２７】
金属化合物領域７は、後述するように、第１窒化アルミニウム層６上に第１窒化物系化合物半導体層８を形成する際に第１窒化アルミニウム層６の孔６ａ内に供給されたガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）と、シリコン基板５のシリコン（Ｓｉ）とが反応して形成されている。このため、金属化合物領域７は、ガリウム、インジウム及びシリコンを主成分とし、少なくとも孔６ａ内、すなわち孔６ａ内と、孔６ａに対向するシリコン基板５及び第１窒化物系化合物半導体層８の所定の領域とに形成されている。また、孔６ａが第１窒化アルミニウム層６内に点在するように形成されており、金属化合物領域７も第１窒化アルミニウム層６内に点在するように形成されている。
【００２８】
第１窒化物系化合物半導体層８は、第１窒化アルミニウム層６及び金属化合物領域７上に形成されている。第１窒化物系化合物半導体層８は、Ｉｎ_ｘＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｇａ_ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）から構成されている。すなわち、第１窒化物系化合物半導体層８は、インジウムとガリウムとを必須の構成元素とする窒化物系化合物半導体であり、本実施の形態ではｎ形Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎから構成されている。
【００２９】
第１窒化物系化合物半導体層８は、孔６ａが形成されていない第１窒化アルミニウム層６の上面に、その上面に垂直な方向に結晶性の良好なｎ形Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が形成される。また、この形成時に、その上面に平行な方向（横方向）にもエピタキシャル成長する。そして、これらの層が合体することにより、金属化合物領域７の上面にも結晶性の良好なｎ形Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が形成され、第１窒化アルミニウム層６及び金属化合物領域７上に、連続して平坦なｎ形Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が形成される。なお、第１窒化アルミニウム層６の孔６ａに対向する位置の第１窒化物系化合物半導体層８にはシリコンが拡散して金属化合物領域７が形成されるが、孔６ａに対向しない位置の第１窒化物系化合物半導体層８にはシリコンが拡散されない。このシリコンが拡散されない結晶性の良好なｎ形Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が成長することにより、第１窒化物系化合物半導体層８が形成されるので、第１窒化物系化合物半導体層８には結晶性の良好なｎ形Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が形成される。
【００３０】
第１窒化物系化合物半導体層８の厚さは、電位障壁の低減に有効な金属化合物領域７が良好に形成されるように１ｎｍ以上とすることが好ましい。ただし、第１窒化物系化合物半導体層８の厚さをあまり厚くしすぎると、第１窒化物系化合物半導体層８とシリコン基板５との線膨張係数差に起因するクラックが第１窒化物系化合物半導体層８に生じるおそれがある。第１窒化物系化合物半導体層８にクラックが発生すると、第１窒化物系化合物半導体層８上に形成される、例えば、発光機能層１１の結晶性を損なう原因となるため、第１窒化物系化合物半導体層８の厚さを１００ｎｍ以下にすることが好ましい。本実施の形態では、第１窒化物系化合物半導体層８の厚さを２０ｎｍに形成している。
【００３１】
第２窒化アルミニウム層９は、第１窒化物系化合物半導体層８上に形成されている。第２窒化アルミニウム層９は、ガリウム、インジウム等の反応が上方に形成される発光機能層１１に進行することを抑制する機能を有する。ガリウム、インジウム等の反応が発光機能層１１まで進行すると、発光機能層１１の結晶性が損なわれるおそれがあるためである。このため、第２窒化アルミニウム層９を形成することにより、発光機能層１１の結晶性の劣化の問題が生じなくなる。
【００３２】
発光機能層１１の結晶性の劣化を防止するには、第２窒化アルミニウム層９の厚さを１ｎｍ以上に形成することが好ましい。ただし、第２窒化アルミニウム層９はキャリアに対してバリアとして働くため、第２窒化アルミニウム層９の厚さは４ｎｍ以下にすることが好ましい。第２窒化アルミニウム層９の厚さを４ｎｍより厚くすると、駆動電圧を低減することができなくなってしまうためである。本実施の形態では、第２窒化アルミニウム層９の厚さを２ｎｍに形成している。
【００３３】
第２窒化物系化合物半導体層１０は、第２窒化アルミニウム層９上に形成されている。第２窒化物系化合物半導体層１０は、Ｉｎ_ｘＡｌ_{１−ｘ−ｙ}Ｇａ_ｙＮ（０＜ｘ≦１、０＜ｙ≦１、０＜ｘ＋ｙ≦１）から構成されている。すなわち、第２窒化物系化合物半導体層１０は、インジウムとガリウムとを必須の構成元素とする窒化物系化合物半導体であり、本実施の形態ではｎ形Ｇａ_０．９Ｉｎ_０．１Ｎから構成されている。
【００３４】
第２窒化物系化合物半導体層１０は、その上に形成される発光機能層１１（後述するｎ形クラッド層１２）に対して、少しだけバンドギャップが小さい材料を用いることが好ましい。このような材料からなる第２窒化物系化合物半導体層１０を介在させることにより、発光機能層１１との間の電位障壁を小さくすることができ、バンド構造の変化を滑らかにすることができるためである。また、第１窒化物系化合物半導体層８のインジウムの組成比を第２窒化物系化合物半導体層１０のインジウムの組成比よりも大きくすることが好ましい。インジウムの組成比を大きくすることにより、第１窒化物系化合物半導体層８と金属化合物領域７との電気的接続が良好になるためである。
【００３５】
発光機能層１１は、第２窒化物系化合物半導体層１０上に形成されている。発光機能層１１は、ｎ形クラッド層１２と、活性層１３と、ｐ形クラッド層１４とが順次積層した構成に形成されている。
【００３６】
ｎ形クラッド層１２は第２窒化物系化合物半導体層１０上に形成され、その厚さが５００ｎｍのｎ形ＧａＮからなるｎ形半導体領域である。活性層１３はｎ形クラッド層１２上に形成され、その厚さが３ｎｍのＧａＩｎＮから構成されている。ｐ形クラッド層１４は活性層１３上に形成され、その厚さが５００ｎｍのｐ形ＧａＮからなるｐ形半導体領域である。
【００３７】
アノード電極３は、ｐ形クラッド層１４の上面に、例えば、低抵抗性接触して形成されている。アノード電極３は、例えば、ニッケルと金を真空蒸着して形成されている。また、カソード電極４は、シリコン基板５の下面に、例えば、低抵抗性接触して形成されている。カソード電極４は、例えば、チタンとアルミニウム・ゲルマニウム・ニッケル合金と金とを真空蒸着で順次積層して形成されている。アノード電極３及びカソード電極４は、他の金属材料により形成することも可能である。
【００３８】
次に、以上のように構成された発光素子１の製造方法について、図３に示すタイムシーケンスを参照して説明する。
【００３９】
まず、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）装置の反応室内に、洗浄等の前処理を施したシリコン基板５を配置する。そして、シリコン基板５に１１２０℃で１０分程度の熱処理を施し、その表面をサーマルクリーニングして表面の酸化膜を完全に除去する（サーマルクリーニング工程）。
【００４０】
次に、シリコン基板５の表面に水素終端処理を施す（水素終端処理工程）。水素終端処理とは、シリコン基板５の表面のダングリングボンド、すなわちシリコンの４つの結合手のうちで、結合に使用されていない結合手（ボンド）に水素を結合させる処理である。
【００４１】
続いて、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に、トリメチルアルミニウムガス（ＴＭＡガス）を所定量、例えば、６３μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアガス（ＮＨ_３）を所定量、例えば、０．１４ｍｏｌ／ｍｉｎ供給して、シリコン基板５の上面に所定厚の窒化アルミニウムからなる第１窒化アルミニウム層６を形成する（第１窒化アルミニウム層形成工程）。
【００４２】
第１窒化アルミニウム層６は、第１窒化物系化合物半導体層８からのガリウム及びインジウムの拡散を抑制するように、０．５ｎｍ以上の厚さに形成することが好ましい。また、第１窒化物系化合物半導体層８の横方向への成長により孔６ａが良好に被覆されるように、３００ｎｍ以下の厚さに形成することが好ましい。このため、第１窒化アルミニウム層６は、０．５ｎｍ〜３００ｎｍの厚さに形成することが好ましい。本実施の形態では、第１窒化アルミニウム層６の厚さを１０ｎｍに形成している。
【００４３】
次に、第１窒化アルミニウム層６の形成されたシリコン基板５をＭＯＣＶＤ装置の反応室内から取り出し、例えば、フォトリソグラフィーとドライエッチングを施すことにより、第１窒化アルミニウム層６に複数の孔６ａを形成する（孔形成工程）。
【００４４】
ここで、第１窒化アルミニウム層６の各孔６ａの開口面積を０．０３μｍ^２〜３００μｍ^２の範囲内で形成することが好ましい。開口面積が０．０３μｍ^２より小さくなると、シリコン基板５と第１窒化物系化合物半導体層８との間の電位障壁を低減する機能が有効に発揮されなくなるおそれがあり、また開口面積が３００μｍ^２より大きくなると、第１窒化物系化合物半導体層８の横方向への成長により孔６ａ上を被覆することが困難となるおそれがあるためである。この孔６ａは、その開口面積が上記開口面積の範囲内であれば任意の大きさに形成することが可能であり、必ずしも均一な大きさに形成しなくてもよい。また、各孔６ａの間隔は、第１窒化物系化合物半導体層８の横方向への成長により孔６ａが良好に被覆されるように、それぞれ１０μｍ以内に形成することが好ましい。さらに、各孔６ａの開口面積の合計は、電位障壁を低減するために、第１窒化アルミニウム層６の全面の３０％以上であることが好ましい。
【００４５】
続いて、孔６ａの形成されたシリコン基板５を、再びＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置して、１１２０℃で１０分程度の熱処理を施し、その表面をサーマルクリーニングして表面の酸化膜を除去する（サーマルクリーニング工程）。
【００４６】
次に、シリコン基板５の温度を７００℃まで下げる。シリコン基板５の温度が７００℃にまで下がると、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に、トリメチルインジウムガス（ＴＭＩガス）を所定量、例えば、５９μｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルガリウムガス（ＴＭＧガス）を所定量、例えば、６．２μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアガスを所定量、例えば、０．２３ｍｏｌ／ｍｉｎ、及びシランガスを所定量、例えば、２１ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給する（第１ＧａＩｎＮ層形成工程）。なお、シランガスを供給したのは、第１窒化物系化合物半導体層８中にｎ形不純物としてのシリコンを導入するためである。
【００４７】
図４に第１ＧａＩｎＮ層の形成過程の概略を示す。図４（ａ）に示すように、第１窒化アルミニウム層６の上面に上記ガスが供給されると、孔６ａ内に供給されたガリウム及びインジウムと、シリコン基板５のシリコンとが反応して、孔６ａ内及び孔６ａに対向するシリコン基板５の所定領域に金属化合物領域７が形成される。一方、孔６ａが形成されていない第１窒化アルミニウム層６の上面では、垂直な方向に結晶性の良好なｎ形Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が形成されるとともに、横方向にエピタキシャル成長する。そして、図４（ｂ）に示すように、横方向に成長したｎ形Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が金属化合物領域７の上を覆うように合体することにより、第１窒化アルミニウム層６及び金属化合物領域７上に、厚さ約２０ｎｍの結晶性の良好なｎ形Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎからなる第１窒化物系化合物半導体層８を形成する。結晶性の良好な第１窒化物系化合物半導体層８を形成できるのは、シリコン基板５上にバッファ層として機能する第１窒化アルミニウム層６が形成されているためである。
【００４８】
ここで、図４（ｂ）に示すように、第１窒化アルミニウム層６の孔６ａに対向する位置の第１窒化物系化合物半導体層８にはシリコンが拡散して金属化合物領域７が形成される。しかし、孔６ａに対向しない位置の第１窒化物系化合物半導体層８にはシリコンが拡散されない。このシリコンが拡散されない結晶性の良好なｎ形Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が成長することにより、第１窒化物系化合物半導体層８が形成されるので、第１窒化物系化合物半導体層８には結晶性の良好なｎ形Ｇａ_０．５Ｉｎ_０．５Ｎ層が形成される。
【００４９】
このように、金属化合物領域７及び第１窒化物系化合物半導体層８が形成され、金属化合物領域７は、シリコン基板５と第１窒化物系化合物半導体層８との間に介在して、これらの間の電気的接続を良好にする。すなわち、シリコン基板５と金属化合物領域７と第１窒化物系化合物半導体層８とからなる経路には、シリコン基板５と第１窒化アルミニウム層６と第１窒化物系化合物半導体層８とからなる経路に比べて、電位障壁が相対的に低い導電路が形成される。このため、シリコン基板５と第１窒化物系化合物半導体層８との間の電位障壁が低減される。
【００５０】
次に、シリコン基板５の温度を１０４０℃まで上げる。シリコン基板５の温度が１０４０℃まで上がると、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に、トリメチルアルミニウムガス（ＴＭＡガス）を所定量、例えば、６３μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアガス（ＮＨ_３）を所定量、例えば、０．１４ｍｏｌ／ｍｉｎ供給して、第１窒化物系化合物半導体層８の上面に、厚さ約２ｎｍの窒化アルミニウムからなる第２窒化アルミニウム層９を形成する（第２窒化アルミニウム層形成工程）。
【００５１】
続いて、シリコン基板５の温度を７００℃まで下げる。シリコン基板５の温度が７００℃にまで下がると、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に、トリメチルインジウムガス（ＴＭＩガス）を所定量、例えば、９．８μｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルガリウムガス（ＴＭＧガス）を所定量、例えば、６．２μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアガスを所定量、例えば、０．２３ｍｏｌ／ｍｉｎ、及びシランガスを所定量、例えば、２１ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、厚さ約２０ｎｍのｎ形Ｇａ_０．９Ｉｎ_０．１Ｎからなる第２窒化物系化合物半導体層１０を形成する（第２ＧａＩｎＮ層形成工程）。
【００５２】
次に、第２窒化物系化合物半導体層１０上に発光機能層１１を形成する。
まず、シリコン基板５の温度を１０４０℃まで上げる。シリコン基板５の温度が１０４０℃まで上がると、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に、トリメチルガリウムガス（ＴＭＧガス）を所定量、例えば、４．３μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアガスを所定量、例えば、５３．６ｍｍｏｌ／ｍｉｎ、シランガスを所定量、例えば、１．５ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、第２窒化物系化合物半導体層１０の上面にｎ形ＧａＮからなる厚さ約５００ｎｍのｎ形クラッド層１２を形成する（ｎ形クラッド層形成工程）。なお、ｎ形クラッド層１２の不純物濃度は３×１０^１８ｃｍ^−３であり、シリコン基板５の不純物濃度よりも十分に低い。
【００５３】
次に、シリコン基板５の温度を８００℃まで下げる。シリコン基板５の温度が８００℃まで下がると、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に、トリメチルガリウムガス（ＴＭＧガス）を所定量、例えば、１．１μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアガスを所定量、例えば、６７ｍｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルインジウムガス（ＴＭＩガス）を所定量、例えば、４．５μｍｏｌ／ｍｉｎ、ビスシクロペンタジェニルマグネシウムガス（Ｃｐ_２Ｍｇガス）を所定量、例えば、１２ｎｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、ｎ形クラッド層１２上に厚さ約３ｎｍのｐ形ＧａＩｎＮからなる活性層１３を形成する（活性層形成工程）。なお、ビスシクロペンタジェニルマグネシウムガスを供給したのは、活性層１３中にｐ形導電形の不純物としてのＭｇを導入するためである。また、活性層１３の不純物濃度は３×１０^１７ｃｍ^−３である。
【００５４】
続いて、シリコン基板５の温度を１０４０℃まで上げる。シリコン基板５の温度が１０４０℃まで上がると、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内に、トリメチルガリウムガス（ＴＭＧガス）を所定量、例えば、４．３μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアガスを所定量、例えば、５３．６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ビスシクロペンタジェニルマグネシウムガス（Ｃｐ_２Ｍｇガス）を所定量、例えば、０．１２μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、活性層１３上に厚さ約５００ｎｍのｐ形ＧａＮからなるｐ形クラッド層１４を形成する（ｐ形クラッド層形成工程）。なお、ｐ形クラッド層１４の不純物濃度は３×１０^１８ｃｍ^−３である。
【００５５】
以上のように形成された発光機能層１１（ｎ形クラッド層１２、活性層１３、ｐ形クラッド層１４）と、第１窒化物系化合物半導体層８との間には、第２窒化アルミニウム層９が形成されているので、ガリウム、インジウム等の反応が発光機能層１１にまで進行しなくなる。このため、発光機能層１１の結晶性が劣化しなくなる。
【００５６】
その後、真空蒸着法によって形成されたアノード電極３を低抵抗性接触させて、ｐ形クラッド層１４の上面に設置する。また、真空蒸着法によって形成されたカソード電極４を低抵抗性接触させて、シリコン基板５の下面に設置する（電極形成工程）。
このような工程により、図１に示すような発光素子１が製造される。
【００５７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、第１窒化アルミニウム層６の孔６ａ内に金属化合物領域７が形成されているので、電位障壁が相対的に低い導電路が形成される。このため、シリコン基板５と第１窒化物系化合物半導体層８との間の電位障壁が低減され、発光素子１の駆動電圧を低減することができる。また、シリコン基板５上に第１窒化アルミニウム層６が形成されているので、シリコン基板５上に結晶性の良好な発光機能層１１を形成することができる。
【００５８】
本実施の形態によれば、第１窒化物系化合物半導体層８と発光機能層１１との間に、第２窒化アルミニウム層９が形成されているので、発光機能層１１の結晶性が劣化しなくなる。
【００５９】
なお、本発明は、上記の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な他の実施の形態について説明する。
【００６０】
上記実施の形態では、第１窒化物系化合物半導体層８と発光機能層１１との間に第２窒化アルミニウム層９を形成した場合を例に本発明を説明したが、例えば、図５に示すように、第２窒化アルミニウム層９を多層に形成してもよい。この場合、ガリウム、インジウム等の反応が発光機能層１１に進行することを確実に抑制することができる。また、１層当たりの第２窒化アルミニウム層９の厚さを、例えば、０．５ｎｍ程度にまで薄くすることができる。
【００６１】
上記実施の形態では、第１窒化物系化合物半導体層８と発光機能層１１との間に第２窒化アルミニウム層９を形成した場合を例に本発明を説明したが、図６に示すように、第２窒化アルミニウム層９及び第２窒化物系化合物半導体層１０を形成しなくてもよい。この場合にも第１窒化アルミニウム層６の孔６ａ内に金属化合物領域７が形成されていれば発光素子１の駆動電圧を低減することができ、シリコン基板５上に結晶性の良好な発光機能層１１を形成することができる。
【００６２】
上記実施の形態では、第１窒化物系化合物半導体層８、第２窒化物系化合物半導体層１０、ｎ形クラッド層１２がｎ形半導体領域等の場合を例に本発明を説明したが、シリコン基板５、第１窒化物系化合物半導体層８、第２窒化物系化合物半導体層１０、ｎ形クラッド層１２、活性層１３、ｐ形クラッド層１４の導電形を反転してもよい。この場合にも、シリコン基板５上に結晶性の良好な発光機能層１１を形成でき、また、発光素子１の駆動電圧を低減することができる。
【００６３】
上記実施の形態では、ＭＯＣＶＤ装置の反応室内で発光素子を製造する場合を例に本発明を説明したが、例えば、ＭＯＣＶＤ装置に反応室を複数設け、各製造工程ごとに別々の反応室を用いてもよい。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の発光素子によれば、シリコン基板上に結晶性の良好な発光機能層を形成できる。また、その駆動電圧を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の発光素子の断面構造を示した概略図である。
【図２】本発明の実施の形態の第１窒化アルミニウム層の平面図である。
【図３】本発明の実施の形態の発光素子の製造手順を説明するためのタイムシーケンスを示した図である。
【図４】本発明の実施の形態の第１窒化物系化合物半導体層の形成過程を説明するための概略図である。
【図５】本発明の他の実施の形態の発光素子の断面構造を示した概略図である。
【図６】本発明の他の実施の形態の発光素子の断面構造を示した概略図である。
【符号の説明】
１発光素子
５シリコン基板
６第１窒化アルミニウム層
６ａ孔
７金属化合物領域
８第１窒化物系化合物半導体層
９第２窒化アルミニウム層
１０第２窒化物系化合物半導体層
１１発光機能層

Claims

シリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成され、複数の孔を有する窒化アルミニウム層と、
少なくとも前記孔内に形成され、ガリウムとインジウムとシリコンとを主成分とする複数の金属化合物領域と、
前記窒化アルミニウム層及び前記金属化合物領域上に形成され、ガリウムとインジウムとを含む窒化物系化合物半導体層と、
前記窒化物系化合物半導体層上に形成され、発光機能を有する窒化物系化合物半導体からなる発光機能層と、
を備え、
前記金属化合物領域は、前記孔内と、前記シリコン基板及び前記窒化物系化合物半導体層の前記孔に対向する領域に形成され、
前記窒化物系化合物半導体層の前記孔に対向しない位置にはシリコンが拡散していない、ことを特徴とする発光素子。
前記窒化アルミニウム層は、その全面に前記複数の孔が点在するように形成されている、ことを特徴とする請求項１に記載の発光素子。
前記孔は、それぞれ０．０３μｍ^２〜３００μｍ^２の面積に形成されている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子。
前記各孔は、その間隔が１０μｍ以内に形成されている、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発光素子。
前記孔は、その面積の合計が前記窒化アルミニウム層の面積の３０％以上に形成されている、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の発光素子。
前記窒化物系化合物半導体層は、１ｎｍ〜１００ｎｍの厚さに形成されている、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発光素子。
前記窒化物系化合物半導体層と前記発光機能層との間に、ガリウム及びインジウムの反応を抑制可能な窒化アルミニウムからなる反応抑制層を備える、ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発光素子。
前記反応抑制層と前記発光機能層との間に、該発光機能層よりバンドギャップの小さい窒化物系化合物半導体層を備える、ことを特徴とする請求項７に記載の発光素子。
シリコン基板上に、窒化アルミニウム層を形成する工程と、
前記窒化アルミニウム層に複数の孔を形成する工程と、
少なくとも前記孔内にガリウムとインジウムとシリコンとを主成分とする金属化合物領域をそれぞれ形成する工程と、
前記窒化アルミニウム層上及び前記金属化合物領域上に、ガリウムとインジウムとを含む窒化物系化合物半導体層を形成する工程と、
前記窒化物系化合物半導体層上に、発光機能を有する窒化物系化合物半導体からなる発光機能層を形成する工程と、
を備え、
前記金属化合物領域をそれぞれ形成する工程では、前記孔内と、前記シリコン基板及び前記窒化物系化合物半導体層の前記孔に対向する領域に前記金属化合物領域を形成し、
前記窒化物系化合物半導体層を形成する工程では、前記孔に対向しない位置にはシリコンが拡散していない、ことを特徴とする発光素子の製造方法。
前記孔を前記窒化アルミニウム層の全面に点在するように形成する、ことを特徴とする請求項９に記載の発光素子の製造方法。
前記孔の面積を０．０３μｍ^２〜３００μｍ^２の範囲内に形成する、ことを特徴とする請求項９または１０に記載の発光素子の製造方法。
前記各孔の間隔を１０μｍ以内に形成する、ことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
前記孔の面積の合計を前記窒化アルミニウム層の面積の３０％以上に形成する、ことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
前記窒化物系化合物半導体層と前記発光機能層との間に、窒化アルミニウムからなる反応抑制層を形成する工程を備える、ことを特徴とする請求項９乃至１３のいずれか１項に記載の発光素子の製造方法。
前記反応抑制層と前記発光機能層との間に、該発光機能層よりバンドギャップの小さい窒化物系化合物半導体層を形成する工程を備える、ことを特徴とする請求項１４に記載の発光素子の製造方法。