JP4907121B2 - 発光ダイオード及び発光ダイオードランプ - Google Patents

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Description

本発明は、第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板上のIII族窒化物半導体から構成された第１のｐｎ接合構造部を含む発光部と、その発光部上に設けられた第１の伝導形の半導体のための第１の極性のオーミック電極と、珪素単結晶基板に関して発光部と同一側の、第２の伝導形の半導体のための第２の極性のオ−ミック電極と、が備えられている発光ダイオード及びその発光ダイオードを用いた発光ダイオードランプに関する。
長期に亘り安定して動作するｐｎ接合型発光ダイオード（ＬＥＤ）を得るためには、例えば、静電気等に因り、不用意にｐｎ接合型発光部に逆方向の過電流が通流するのを防止できる技術手段を講ずることが重要である。従来では、ＬＥＤの電気的耐性の向上を目的として、ツェナー（Ｚｅｎｅｒ）ダイオード等の電子部品をＬＥＤに接続して、ＬＥＤを電気的に保護する方法が多く採られてきた。特に、層厚の薄い化合物半導体層から構成されるｐｎ接合型発光部を備えた窒化ガリウム（ＧａＮ）系ＬＥＤや、燐化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌＧａＩｎＰ）系ＬＥＤでは、ツェナーダイオードをＬＥＤ駆動用電気回路にわざわざ付加し、組み込んで耐電圧性の向上を果たす手段が開示されている（下記の特許文献１参照）。
特開２００５−２００３８号公報
また、下記の特許文献２及び３には、コンデンサや抵抗を複雑に組み込んだＬＥＤ駆動用電源回路を配備することにより、ＬＥＤの耐電圧性を高める技術が開示されている。
特開２００５− ５７２２８号公報 特開２０００−１８８４２５号公報
また、ｐｎ接合型ＬＥＤと、ＬＥＤとは別個にｐｎ接合型保護ダイオードを設けて、それらを電気的に並列に結線することにより、ＬＥＤ逆方向電圧に対する耐電圧性を向上させる技術も開示されている（下記の特許文献４参照）。さらに、ｐｎ接合型保護ダイオードをＬＥＤとは別個の単体素子として設ける上記の技術に加えて、同一の基板上に隣接して別個にｐｎ接合型保護ダイオードを設け、ｐｎ接合型発光部へ逆方向の過電圧が印加されるのを回避しようとする技術手段も開示されている（下記の特許文献５参照）。
特開昭５２− ６１９８２号公報 特開平１０−２００１５９号公報
しかし、上記従来技術のうち、特許文献１〜３では、ツェナーダイオードやコンデンサ等の耐電圧性を上げるための電子部品を電源回路に付帯して配置するスペースを必要とし、ＬＥＤが徒に大型化してしまう問題がある。また、より良く耐電圧性を向上させるために、電源回路に組み込む電子部品の部品数を増加させると、回路組立て技術が複雑になり、ＬＥＤの製造コストの上昇を避けられない問題がある。
また、特許文献４，５の如く保護ダイオードを単品部品として別個に使用し、しかも、電気的に並列に結線させて、ｐｎ接合型発光部へ不用意に通流する逆方向電流に対する耐電圧性を向上させようとする場合、保護ダイオードを配置するための空間が要求され、帰結されるＬＥＤのチップサイズは自ずと大型化してしまう。また、不用意な逆方向への過電流からｐｎ接合型発光部を電気的に保護する機能を発揮させるために、ＬＥＤとは別個に設ける保護ダイオードには、ＬＥＤの発光部へ動作電流を流通させるために必要な電極に加え、保護ダイオード自身を動作させるための電極が必要とされる。例えば、上記の特許文献４に記載される単品のｐｎ接合型保護ダイオードを隣接して配置したＬＥＤにあっては、合計３個（特許文献４の図４参照）、または多い場合には合計４個（特許文献４の図１参照）の入力及び出力電極を形成する必要があり、ＬＥＤを作製するための工程を煩雑としていることは否めない。
本発明は上記に鑑み提案されたもので、耐電圧を向上させても小型化とコスト低減が可能で、さらに保護ダイオードも不要となる発光ダイオード及び発光ダイオードランプ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、第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板上のIII族窒化物半導体から構成された第１のｐｎ接合構造部を含む発光部と、その発光部上に設けられた第１の伝導形の半導体のための第１の極性のオーミック電極と、珪素単結晶基板に関して発光部と同一側の、第２の伝導形の半導体のための第２の極性のオ−ミック電極と、が備えられている発光ダイオードにおいて、上記第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板に接合させて設けられた第２の伝導形の半導体層とで、珪素単結晶基板から発光部に渡る領域に第２のｐｎ接合構造部を構成し、上記第２の極性のオーミック電極が形成されている第２の伝導形の半導体層から第１の極性のオーミック電極に向けての第１のｐｎ接合構造部の伝導形の配列と、上記第２の伝導形の半導体層から第１の伝導形の珪素単結晶基板に向けての第２のｐｎ接合構造部の伝導形の配列とは、同一である、ことを特徴としている。
２）第２の発明は、第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板上のIII族窒化物半導体から構成された第１のｐｎ接合構造部を含む発光部と、その発光部上に設けられた第１の伝導形の半導体のための第１の極性のオーミック電極と、珪素単結晶基板に関して発光部と同一側の、第２の伝導形の半導体のための第２の極性のオ−ミック電極と、が備えられている発光ダイオードにおいて、上記第１の伝導形の珪素単結晶基板に接合させて設けられた第２の伝導形の中間層と、その中間層に接合させて設けられた第２の伝導形の半導体層とを備え、第１の伝導形の珪素単結晶基板と第２の伝導形の中間層とで、珪素単結晶基板から発光部に渡る領域に第２のｐｎ接合構造部を構成し、上記第２の極性のオーミック電極が形成されている第２の伝導形の半導体層から第１の極性のオーミック電極に向けての第１のｐｎ接合構造部の伝導形の配列と、上記第２の伝導形の半導体層から第１の伝導形の珪素単結晶基板に向けての第２のｐｎ接合構造部の伝導形の配列とは、同一である、ことを特徴としている。
３）第３の発明は、第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板上のIII族窒化物半導体から構成された第１のｐｎ接合構造部を含む発光部と、その発光部上に設けられた第１の伝導形の半導体のための第１の極性のオーミック電極と、珪素単結晶基板に関して発光部と同一側の、第２の伝導形の半導体のための第２の極性のオ−ミック電極と、が備えられている発光ダイオードにおいて、上記第１の伝導形の珪素単結晶基板に接合させて設けられた第１の伝導形の中間層と、その中間層に接合させて設けられた第２の伝導形の半導体層とを備え、第１の伝導形の中間層と第２の伝導形の半導体層とで、珪素単結晶基板から発光部に渡る領域に第２のｐｎ接合構造部を構成し、上記第２の極性のオーミック電極が形成されている第２の伝導形の半導体層から第１の極性のオーミック電極に向けての第１のｐｎ接合構造部の伝導形の配列と、上記第２の伝導形の半導体層から第１の伝導形の珪素単結晶基板に向けての第２のｐｎ接合構造部の伝導形の配列とは、同一である、ことを特徴としている。
４）第４の発明は、上記した２）項または３）項に記載の発明の構成に加えて、上記中間層は、珪素を富裕に含む非化学量論的組成を有する炭化珪素（ＳｉＣ）から構成されている、ことを特徴としている。
５）第５の発明は、上記した２）項または３）項に記載の発明の構成に加えて、上記中間層は、III族窒化物半導体から構成されている、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１項に記載の発明の構成に加えて、上記第２の伝導形の半導体層は、燐化硼素（ＢＰ）系半導体から構成されている、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５）項の何れか１項に記載の発明の構成に加えて、上記第２の伝導形の半導体層は、第２の伝導形のIII族窒化物半導体材料から構成されている、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１項に記載の発明の構成に加えて、上記第２のｐｎ接合構造部におけるｐｎ接合構造の逆方向の耐電圧が、上記第１のｐｎ接合構造部を含む発光部を備えた発光ダイオードの順方向電圧を超えて高く、発光ダイオードの逆方向電圧よりも小さい、ことを特徴としている。
９）第９の発明は、上記した８）項に記載の発光ダイオードを、支持器に固定して構成した発光ダイオードランプであって、第１の伝導形の珪素単結晶基板と、第１の極性のオーミック電極とが、略同一の電位に電気的に接続されている、ことを特徴としている。
１０）第１０の発明は、上記した９）項に記載の発明の構成に加えて、上記第１の伝導形の珪素単結晶基板と電気的に接触する支持器の領域を、第１の極性のオーミック電極と略同一の電位とした、ことを特徴としている。
本発明では、発光部の第１のｐｎ接合構造部とは別に、珪素単結晶基板から発光部に渡る領域に第２のｐｎ接合構造部を構成し、例えばその第２のｐｎ接合構造部を、第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板に接合させて設けられた第２の伝導形の半導体層とで構成し、また第１の伝導形の珪素単結晶基板に接合させて設けられた第２の伝導形の中間層と、その中間層に接合させて設けられた第２の伝導形の半導体層とを備えてその第１の伝導形の珪素単結晶基板と第２の伝導形の中間層とで構成し、また第１の伝導形の珪素単結晶基板に接合させて設けられた第１の伝導形の中間層と、その中間層に接合させて設けられた第２の伝導形の半導体層とを備えてその第１の伝導形の中間層と第２の伝導形の半導体層とで構成するようにしたので、発光ダイオード（ＬＥＤ）の耐電圧を向上させることができる。
また、従来技術の如く、保護ダイオード等を新たに付加させる必要もなく、また、ＬＥＤとそれらの電子部品とを電気的に接続するために電極を追加して設ける必要もなく、従って、ＬＥＤを動作するに最低限必要な陽極及び陰極を設ければ良いため、簡便に小型のＬＥＤを提供できる。
また、本発明では、同一のＬＥＤチップに内包させる逆方向の耐電圧性を向上させるためのｐｎ接合構造を、珪素単結晶基板から発光部に渡る領域に設けたので、静電気等に因り、不用意に印加される逆方向の電圧により、過大な電流が発光部に流れ、発光部が破壊されるのを防止するのに有効なｐｎ接合を構成でき、従って、逆方向の耐電圧性を向上させることができる。
特に、珪素単結晶基板から発光部に渡る領域に設ける第２のｐｎ接合構造部を、中間層を利用して構成したので、上記の逆方向の耐電圧性をより一層向上させることができる。
また本発明では、同一のＬＥＤチップに内包させる逆方向の耐電圧性を向上させるための第２のｐｎ接合構造部をなす第２の伝導形の半導体層を、禁止帯幅が比較的に大とする炭化珪素やIII族窒化物半導体から構成することとしたので、静電気等に因り、不用意に印加される逆方向の電圧に因り、過大な電流が発光部に流れ、発光部が破壊されるのを防止するに有効な高い耐電圧性のｐｎ接合構造を構成することができる。
また本発明では、第２のｐｎ接合構造部の逆方向の耐電圧を、ｐｎ接合型発光部を備えたＬＥＤの順方向電圧を超えて高く、ＬＥＤの逆方向電圧よりも小さくしたので、不用意に印加される逆方向の電圧に因り、発光部へ過大な電流が流れ込むのを安定して、有効に回避でき、従って、逆方向の耐電圧性に優れるＬＥＤを提供することができる。
また本発明では、ＬＥＤを支持器に固定してＬＥＤランプを作製するに際し、第１の伝導形の珪素単結晶基板と、第１の極性のオーミック電極とを、略同一の電位となる様に電気的に接続して作製することとしたので、静電気等に因り、不用意に印加される逆方向の電圧に対して耐電圧性に優れるＬＥＤランプを、従来の如く保護ダイオード等の電子部品を敢えて付帯させずとも、簡便に提供できる。
さらに、本発明では、第１の伝導形の珪素単結晶基板と、電気的に接触する支持器の領域を、第１の極性のオーミック電極と略同一の電位に電気的に接続してＬＥＤランプを構成することとしたので、静電気等に因り、ＬＥＤの発光部に逆方向の過電流が不用意に流通するのを確実に回避でき、逆方向の耐電圧性に優れるＬＥＤランプを、従来の如く保護ダイオード等の電子部品を敢えて付帯させずとも、簡便に提供できる。
本発明では、ｐｎ接合型構造の発光部を、珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）からなる基板上に形成する。基板には、ｎ形またはｐ形の何れの伝導形の珪素単結晶も使用できる。なお、以下の説明では、ｎ形、ｐ形の何れか一方を第１の伝導形とし、他方を第２の伝導形とする。そして、基板とする珪素単結晶の伝導形を此処では、第１の伝導形とする。後述する様に、第１の極性のオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極を設ける半導体層も第１の伝導形の半導体層とする。
発光部は、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化ガリウム・インジウム混晶（組成式ＧａXＩｎ1-XＮ：０＜Ｘ＜１）や窒化アルミニウム・ガリウム混晶（組成式ＡｌYＧａ1-YＮ：０＜Ｙ＜１）等のIII族窒化物半導体材料から構成する。発光部は、単一ヘテロ（ＳＨ）或いは二重ヘテロ（ＤＨ）構造の何れかからも構成できる。発光部に備えられる発光層は、例えば、ＡｌYＧａ1-YＮ／ＧａXＩｎ1-XＮからなる単一量子井戸（ＳＱＷ）構造または多重量子井戸（ＭＱＷ）構造からも構成できる。
そして本発明では、第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板上のIII族窒化物半導体から構成された第１のｐｎ接合構造部を含む発光部と、その発光部上に設けられた第１の伝導形の半導体のための第１の極性のオーミック電極と、珪素単結晶基板に関して発光部と同一側の、第２の伝導形の半導体のための第２の極性のオ−ミック電極と、が備えられている発光ダイオードにおいて、珪素単結晶基板から発光部に渡る領域に第２のｐｎ接合構造部を構成している。例えば、この第２のｐｎ接合構造部を、（１）第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板に接合させて設けられた第２の伝導形の半導体層とで構成し、また（２）第１の伝導形の珪素単結晶基板に接合させて設けられた第２の伝導形の中間層と、その中間層に接合させて設けられた第２の伝導形の半導体層とを備えてその第１の伝導形の珪素単結晶基板と第２の伝導形の中間層とで構成し、また（３）第１の伝導形の珪素単結晶基板に接合させて設けられた第１の伝導形の中間層と、その中間層に接合させて設けられた第２の伝導形の半導体層とを備えてその第１の伝導形の中間層と第２の伝導形の半導体層とで構成するようにしている。なお、（１）（２）（３）の各構成中、第２の伝導形の半導体層は、発光部の最下層であってもよい。
第１の伝導形の珪素単結晶基板の表面には、第２の伝導形の半導体層を接合して形成して、珪素単結晶基板から発光部に渡る領域に第２のｐｎ接合構造部を設けることとする。例えば、ｐ形珪素単結晶基板には、ｎ形半導体層を接合させて設けて第２のｐｎ接合構造部を形成する。この場合、第１の伝導形はｐ形であり、従って、第２の伝導形はｎ形となる。また、例えば、ｎ形珪素単結晶基板上に高抵抗のｐ形半導体層を設けてｐｎ接合構造を形成する（高抵抗のｐ形層は、π形層と称される場合がある（米津 宏雄著、「光通信素子工学−発光・受光素子−」、平成７年５月２０日、工学図書（株）発行、５版、３１７頁脚注参照））。また、別の例では、ｐ形珪素単結晶基板上とそれに接合させて設けた高抵抗のｎ形半導体層とから第２のｐｎ接合構造部を構成する（高抵抗のｎ形層はν型と称される場合がある（上記の「光通信素子工学−発光・受光素子−」参照）。
具体的には、第１の伝導形の珪素単結晶基板に接合して設けた、基板の珪素単結晶とは伝導形を逆とするIII族窒化物半導体材料からなるバッファ層とでｐｎ接合構造を構成する。また例えば、第１の伝導形の珪素単結晶基板と、それに接合して設けた発光部の一部をなす下部クラッド（ｃｌａｄ）層とでｐｎ接合構造を構成する。第１の伝導形の珪素単結晶基板と接合させる第２の伝導形の半導体層は、後述する如く、好都合な逆方向の耐電圧が帰結される様なキャリア濃度（または抵抗率（＝比抵抗））と層厚とを有しているのが望ましい。極端に抵抗が高く、且つ層厚の厚い半導体材料から構成すると、導電性のｎ形或いはｐ形珪素単結晶基板を経由して、ＬＥＤの発光部を回避して、後述する第２の極性のオーミック電極に効果的に逆方向に不用意に印加される過電圧に因る過電流を逃がせない。
第１の伝導形の珪素単結晶基板から発光部に渡る領域に設ける第２のｐｎ接合構造部は、第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その上の第２の伝導形の半導体層との中間に設ける中間層を利用しても構成できる。中間層は、第１または第２の何れの伝導形の半導体層からも構成できる。即ち、ｐ形（π形）またはｎ形（ν形）の何れの伝導形の半導体層からも構成できる。第１の伝導形の珪素単結晶基板／中間層／第２の伝導形の半導体層（記号／は接合を表す。）からなるｐｎ接合構造体にあって、中間層を第１の伝導形の半導体層から構成した場合、ｐｎ接合は、中間層と第２の伝導形の半導体層とで形成されることとなる。中間層を第２の伝導形の半導体層から構成した場合、ｐｎ接合は、中間層と第１の伝導形の珪素単結晶基板とで形成されることとなる。
中間層を、室温で比較的高い禁止帯幅を有する半導体材料から構成することとすると、逆方向の耐電圧が安定して高いｐｎ接合構造をもたらすに優位となる。例えば、立方晶または六方晶の炭化珪素（ＳｉＣ）から中間層を構成する。炭化珪素からなる中間層は、例えば、化学的気相堆積（ＣＶＤ）法等に依り形成できる。高真空中で、珪素単結晶の表面に向けてアセチレン（分子式：Ｃ2Ｈ2）等の炭化水素系気体を照射して、珪素単結晶の表面に形成した立方晶３Ｃ型のＳｉＣ薄膜層を高抵抗層としてｐｎ接合構造を形成できる。｛００１｝結晶面を表面とする珪素単結晶基板を用いれば、｛００１｝−配向性の３Ｃ型ＳｉＣ層を形成できる。｛１１１｝結晶面を表面とする珪素単結晶基板を用いれば、｛１１１｝−配向性の３Ｃ型ＳｉＣ層を形成できる。
中間層を構成するための炭化珪素層は、抵抗率（＝比抵抗）にして１×１０4Ω・ｃｍ未満であり、層厚を１０ｎｍ以下、更に望ましくは５ｎｍ以下とするのが望ましい。用いる炭化珪素層の抵抗率、または抵抗率に反比例するキャリア濃度（ｎ（ｃｍ-3）またはｐ（ｃｍ-3））と層厚（ｄ（ｃｍ））とは、その炭化珪素層を中間層として含むｐｎ接合構造が、ＬＥＤの順方向電圧より高く、且つ逆方向電圧より低い、逆方向電圧を顕現するに好都合となる様に調整する。中間層は、特に、非化学量論的な組成の炭化珪素から好ましく構成できる。珪素（Ｓｉ）を炭素（元素記号：Ｃ）より当量的に多く含む非化学量論的な組成の例えば、ＳｉＣ0.6から構成できる。この様な非化学量論的な組成の炭化珪素層を中間層として設けることに依り、珪素単結晶基板と中間層上に設ける上層との格子ミスマッチ或いは熱膨張率の差異に起因する応力が緩和され、結晶層に優れる上層をもたらすことができる。
また、中間層は、室温で広い禁止帯幅（Ｅｇ）をもつIII族窒化物半導体材料から構成できる。例えば、ウルツ鉱結晶型のＧａＮ（Ｅｇ＝３．４ｅＶ）、閃亜鉛鉱結晶のＧａＮ（Ｅｇ＝３．２ｅＶ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ；Ｅｇ＝５．９ｅＶ）、窒化アルミニウム・インジウム（組成式ＡｌQＩｎ1-QＮ：０＜Ｑ＜１）等のアルミニウム（Ａｌ）を含む窒化物半導体混晶等から構成できる。珪素単結晶基板から発光部に渡る領域に設ける本発明に係わる第２のｐｎ接合構造部は、例えば、ｐ形珪素単結晶基板にｎ形III族窒化物半導体層及びｎ形III族窒化物半導体層を順次、積層させて構成する。III族窒化物半導体材料から構成された中間層は、その上に第２の伝導形の窒化物半導体層を積層させるに際し、良質な上層をもたらす下地層として貢献できる。
また、第２の伝導形の半導体層は、燐化硼素（ＢＰ）系化合物半導体材料から構成できる。燐化硼素系化合物半導体とは、硼素（元素記号：Ｂ）と燐（元素記号：Ｐ）とを構成元素として含むIII−Ｖ族化合物半導体である、例えば、燐化硼素・アルミニウム（組成式ＢXＡｌ1-XＰ：０＜Ｘ≦１）であり、燐化硼素・ガリウム（組成式ＢYＧａ1-YＰ：０＜Ｙ≦１）であり、燐化硼素・インジウム（組成式ＢZＩｎ1-ZＰ：０＜Ｚ≦１）である。例えば、室温での禁止帯幅を２．０ｅＶ或いはそれ以上の単量体のＢＰから構成できる。この様な広い禁止帯幅を有する燐化硼素系半導体材料からなる層は、また、中間層を構成する材料としても利用できる。
第２の伝導形の燐化硼素系半導体層は、例えば、有機金属化学的気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法、ハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）気相成長エピタキシャル（ＶＰＥ）法、ハイドライド（水素化物；ｈｙｄｒｉｄｅ）ＶＰＥ法、または、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法などのエピタキシャル成長方法に依り形成できる。特に燐（Ｐ）を構成元素として含む化合物半導体薄膜の成長に常用されているＭＯＣＶＤ法は、好適に用いられる。所望の逆方向の耐電圧を与える抵抗率や層厚の第２の伝導形の燐化硼素系化合物半導体層は、不純物を故意に添加しない（アンドープ）でも形成できる。また、その成長時に、ｐ形不純物またはｎ形不純物を故意に添加する、所謂、ドーピング手段に依り形成できる。
中間層及び第２の伝導形の半導体層は、異なる手段で形成しても構わないが、同一の成長手段で構成するのが簡便である。好適な範囲のキャリア濃度と層厚を有する第２の伝導形を呈する半導体層を得るために、これらの層の成長時に伝導形を制御するための不純物を故意に添加（ドーピング）しても構わない。III族窒化物半導体材料から構成された第２の伝導形の半導体層は、その上に結晶性に優れるIII族窒化物半導体層をもたらすに好都合な下地層として働き、よって、良質なIII族窒化物半導体層から発光部を構成できる利点がある。例えば、ＧａＮ、ＡｌＮ、或いはそれらの混晶から構成した第２の伝導形の半導体層上に、発光部をなすＡｌRＧａ1-RＮ（０≦Ｒ≦１）を積層させるとすると、双方の格子ミスマッチ度が小さいが故に良質の発光部の構成層を形成できる。ＡｌRＧａ1-RＮ（０≦Ｒ≦１）層を例えば、発光部の下方の珪素単結晶基板側に設ける下部クラッド層として利用する場合、そのＡｌRＧａ1-RＮ（０≦Ｒ≦１）層の伝導形は、第２の伝導形とする。
第１の伝導形の珪素単結晶基板の表面に直接、第２の伝導形の半導体層を接合させて構成するか、または、上記の如くの中間層を介在させて構成するかに拘らず、発光部の下方に設けるｐｎ接合構造は、ＬＥＤの順方向電圧（所謂、発光部をなすｐｎ接合のＶF）を超えて高く、且つ、逆方向電圧（所謂、発光部をなすｐｎ接合のＶR）より小さい逆方向の耐電圧（ＶB）を有するものとする。例えば、ＶBは、順方向電流を１０マイクロアンペア（μＡ）として際のＬＥＤの順方向電圧（ＶF（単位：Ｖ））の２倍を超え、ＬＥＤの逆方向電圧（ＶR（単位：Ｖ））（ここでは、１０μＡの電流を通流した際の逆方向電圧を指す。）の１／２よりも小であるとする。即ち、０．５・ＶR＞ＶB＞２．０・ＶFの大小関係を与える逆方向の耐電圧（ＶB）を有するｐｎ接合構造であることが望ましい。
上記の電気的耐圧特性を有する第２のｐｎ接合構造部と、その上のｐｎ接合構造型発光部とを備えた積層構造体に第１の極性のオーミック電極と、第１の極性とは反対の第２の極性のオーミック電極とを設けてＬＥＤを構成する。第１の伝導形がｐ形であるならば、基板はｐ形の珪素単結晶であり、第１の極性のオーミック電極は、第１の伝導形の半導体層、つまりｐ形半導体層に設けられた陽極（正極、（＋）極）とする。対応して第２の極性のオーミック電極は、陰極（負極、（−）極）とする。反対に、第１の伝導形がｎ形ならば、第１の極性のオーミック電極は、ｎ形半導体層に設けられた陰極とする。この場合に対応して、第２の極性のオーミック電極は陽極とする。
本発明のＬＥＤを構成するための第１及び第２の極性のオーミック電極は、基板の表面に関し、発光部と同一側において、平面視で対向する領域に配置するものの、各々のオーミック電極は上下方向（ＬＥＤの鉛直方向）に異なる位置に形成する。第１の極性のオーミック電極は、発光部に備えられている発光層より上に積層した第１の伝導形の半導体層に設ける。例えば、ヘテロ接合型発光部を構成するために発光層上に設けた上部クラッド層、発光部上の窓（ｗｉｎｄｏｗ）層や低接触抵抗の第１の極性のオーミック電極を形成するためのコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）層など第１の伝導形の半導体層に接触させて設ける。
第１の極性のオーミック電極は、例えば、導電体と略等電位となす結線（ｂｏｎｄｉｎｇ）を施すために半導体層の表面に設けられたオーミック性金属膜からなる台座（ｐａｄ）電極として形成され得る。また、台座電極と、台座電極に導通させて発光層または発光部上の第１の伝導形の半導体層の表面に拡げて延在させた第１の極性のオーミック電極とから構成できる。第１の伝導形の半導体層の表面の略全面に第１の極性のオーミック電極を拡げて延在して配置することにより、ＬＥＤを発光させるための駆動電流を順方向に平面的に拡散させるに効果を上げられる。順方向電流とは、第１の極性のオーミック電極が陽極であり、第２の極性のオーミック電極が陰極である場合、陽極に正電圧を印加し、陰極にその正電圧よりも低い電圧を印加した際に両極性のオーミック電極間に流れる電流である。また、第１の極性のオーミック電極が陰極であり、第２の極性のオーミック電極が陽極である場合、陰極に負電圧を印加し、陽極にその負電圧よりも高い電圧を印加した際に両極性のオーミック電極間に流れる電流である。
結線用の台座電極に加えて、第１の伝導形の半導体層の表面上に、第１の極性のオーミック性電極を万遍無く配置して、ＬＥＤからの発光をもたらすための順方向電流を第１の伝導形の半導体層を介して発光部に拡散させる構成とした場合、拡げて延在させる電極と台座電極とは、電気的に導通させる必要があるが、台座電極は、第１の伝導形の半導体層についてオーミック性接触を呈する金属膜から、必ずしも構成する必要はない。台座電極を第１の伝導形の半導体層について非オーミック性の接触を形成する材料から構成すると、台座電極と第１の伝導形の半導体層との間の接触抵抗が高くなり、第１の伝導形の半導体層を介して発光部に短絡的に流通するのを回避できる。
第１の極性オーミック電極に電気的に導通させて設ける台座電極は、それへの結線時における機械的衝撃或いは熱的衝撃が第１の伝導形の半導体層、しいては発光をもたらす発光部へ波及するのを抑制するため数μｍ程度の層厚の厚い金属膜から構成する。このため、台座電極の射影領域に在る発光部からの発光は、台座電極をなす厚い金属膜に因り遮蔽され、ＬＥＤの外部へ取り出せない。従って、台座電極を第１の伝導形の半導体層につい非オーミック性を呈する材料から構成し、台座電極の射影領域に在る発光部への短絡的な順方向電流の流通を阻止した上で、台座電極に導通する拡げて延在させた電極に依り、第１の伝導形の半導体層に順方向電流を平面的に拡散させれば光電変換効率の高い高輝度のＬＥＤを得ることができる。
台座電極と電気的に導通させて、第１の伝導形の半導体層に拡げて延在させる第１の極性のオーミック電極は、第１の伝導形の半導体層の表面、しいてはその下方の発光部に均一に順方向電流を拡散できる様に配置する。例えば、平面視で格子状、網状、同心円状、または枠状等の形状に、フォトリソグラフィー技術等を利用して加工されたオーミック性金属膜から構成できる。更には、第１の伝導形の半導体層へ均等な電流密度で順方向電流を流通させられる形状の電極から構成する。例えば、台座電極から第２の極性のオーミック電極へ向けての距離が増すに連れて、間隔を狭めた格子状の、或いはその距離に応じて直径を段階的に小さくした同心円状の形状から構成する。
一方、第１とは反対の極性の第２の極性のオーミック電極は、ｐｎ接合型発光部に備えられている発光層より下方の発光部を構成する第２の伝導形の半導体層上に設ける。または、発光部より下方で、第１の伝導形の基板との中間に在る第２の伝導形の半導体層に設ける。例えば、ヘテロ構造の発光部を形成するため第２の伝導形の下部クラッド層に設ける。また、例えば、第１の伝導形の基板と発光部との中簡に配置されたバッファ（ｂｕｆｆｅｒ）層やブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射層等に接触させて設ける。
発光層または発光部より下方の、基板側に在る第２の伝導形の半導体層に第２の極性のオーミック電極を配置するには、そのオーミック電極を設けるための領域に存在する発光部を除去する必要がある。即ち、発光をもたらす発光部の一部の領域を敢えて除去し、発光をもたらせる領域の面積を減じて設ける必要がある。このため、第２の極性のオーミック電極は、結線ができる最小限の平面積を有する電極とし、除去する発光部の領域が過大となるのを回避するのが、高輝度のＬＥＤを得る場合の得策となる。例えば、第２の極性のオーミック電極は、結線に必要な台座電極のみから構成できる。第２の極性のオーミック電極を兼ねる台座電極として、直径を８０μｍ〜１５０μｍとする平面視で円形の、また、一辺の長さを８０μｍ〜１５０μｍとする平面視で正方形の金属電極を例示できる。
本発明に係わる不用意に印加される逆方向の電圧に対して優れた耐電圧性を有するＬＥＤを利用して、発光部上に設けた正または負の第１の極性のオーミック電極と、基板の第１の伝導形の珪素単結晶とを等電位とする様に電気的に接続すると逆方向の耐電圧性を十分に発揮できるＬＥＤランプを作製できる。発光部上に設けた第１の伝導形の半導体層上の第１の極性のオーミック電極と第１の伝導形の基板とを略等電位に電気的に接続するのは、例えば、それらを等電位にある同一の端子に結線し、接続する方法により簡便に達成できる。
本発明に依るＬＥＤは、その逆方向の耐電圧（電圧ＶB）が、ｐｎ接合型発光部を有するＬＥＤの逆方向電圧（電圧ＶR）より低値となる様に構成されている。従って、上記の如くの電気的結線を果たすことに依り、不用意に逆方向の電圧が印加された際に発生する逆方向への電流を、発光部ではなく、例えば、第２の伝導形の半導体層上の正又は負何れかの第２の極性の第２のオーミック電極を経由して、ＬＥＤの外部へと逃がすことができる。従って、不用意な逆方向の過電流の通流に因るＬＥＤの発光部の破壊を回避できる、耐電圧性に優れるＬＥＤランプをもたらせる。
一方で、本発明に係わる第２のｐｎ接合構造部は、本発明に依るＬＥＤにおいて、その耐電圧（電圧ＶB）が、ｐｎ接合型発光部を有するＬＥＤの順方向電圧（電圧ＶF）より高値となる様に構成されている。従って、上記の如くの電気的結線を果たすことに依り、ＬＥＤを発光させるために正常に順方向に通流された素子駆動電流が、基板へと不要に漏洩するのを防止できる。従って、不用意に印加される逆方向の過電圧に対し、耐電圧性に優れ、且つ、光電変換効率にも優れるＬＥＤランプをもたらせる。
更に、ＬＥＤランプを作製するに際し、ＬＥＤを構成するに用いた第１の伝導形の基板と、その基板を固定するための、基板と電気的に接触する支持器の領域とが、等電位となる様にしてランプを構成すると、不用意に印加される逆方向の過電圧に対し耐電圧性に優れるランプを構成できる。第１の伝導形の基板の裏面（発光部が設けられているのとは反対側の表面）と、それを支持、固定する導電性の支持器の領域とを、点接触ではなく、平面的に広く電気的に接触させ等電位とすることに依り、基板の内部を流通する逆方向の過電流の密度を減少させられる。従って、より効率的に不用意な逆方向の過電流を逃がすに効果がある。本発明では、基板と、それと電気的に接触している支持器の導電性領域とを等電位となす電気的結線を施す場合にも、基板と第１の極性の電極とは、同じく等電位とする。
（実施例１） 本実施例１では、第１の伝導形のｐ形の珪素単結晶基板と、その上に積層させた第２の伝導形のｎ形の半導体材料とから構成した耐電圧性を向上させるためのｐｎ接合構造（第２のｐｎ接合構造部）を内包するＬＥＤを構成する場合を例にして本発明の内容を具体的に説明する。
図１は、本実施例で作製した、発光部に備えられているｐｎ接合に加えて、発光部以外に耐電圧性を向上させるためのｐｎ接合構造を内包するＬＥＤの平面模式図である。また、図２は、図１に示す高耐電圧型ＬＥＤの破線Ｉ−Ｉ'線に沿った断面模式図である。
ＬＥＤ１０を作製するための積層構造体１００は、硼素（元素記号：Ｂ）をドープした、表面を（００１）結晶面とするｐ形珪素単結晶を基板１０１として形成した。従って、本実施例１では、第１の伝導形はｐ形である。珪素単結晶基板１０１の（００１）結晶面からなる表面には、立方晶３Ｃ結晶型のｐ形炭化珪素（ＳｉＣ）薄膜層（層厚約２ｎｍ）１０２を本発明の云う中間層として形成した。高分解能透過電子顕微鏡を使用して撮像した格子像から計測した炭化珪素薄膜層１０２の格子定数から、薄膜層１０２は非化学量論的な組成のＳｉＣ0.8から構成されていると判断された。ｐ形炭化珪素薄膜層１０２の表面には、珪素（元素記号：Ｓｉ）をドープしたｎ形の窒化ガリウム層（層厚約３μｍ、キャリア濃度約４×１０18ｃｍ-3）１０３を直接、接合させて設けた。このｎ形ＧａＮ層は、本発明の云う第２の伝導形（本実施例１では、ｎ形である。）の半導体層に該当する。
第１の伝導形であるｐ形の炭化珪素薄膜層１０２と、第２の伝導形であるｎ形ＧａＮ層１０３とを接合させて設けることにより、不用意に逆方向に印加される過電圧に因り発光部４０に過電流が通流するのを回避するための第２のｐｎ接合構造部７０を形成した。
別途、積層構造体１００を形成するに使用したのと同一の抵抗率、キャリア濃度及び厚さの硼素ドープ（００１）−珪素単結晶基板上に、上記と同一の仕様のｐ形炭化珪素層及びｎ形ＧａＮ層を気相成長させ、ｐｎ接合を形成した。ｐ形珪素単結晶基板の裏面側に、一般的な真空蒸着手段に依りアルミニウム（元素記号：Ａｌ）膜を被着させた後、シンターしてオーミック電極となした。ｎ形ＧａＮ層の表面には、ランタン（元素記号：Ｌａ）・Ａｌ合金真空蒸着膜からなるオーミック電極を形成し、このｐｎ接合の逆方向の耐電圧（本発明の云うＶBである。）を測定した。逆方向電流を１０μＡとした際の耐電圧は約７．１ボルト（Ｖ）であった。
第２のｐｎ接合構造部７０の一構成要素であるｎ形ＧａＮ層１０３上には、インジウム（元素記号：Ｉｎ）組成比を異にする複数の相（ｐｈａｓｅ）からなるｎ形窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ1-αＩｎαＮ：平均的なＩｎの組成比（＝α）は０．１９である。）層を井戸層とし、ｎ形窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ0.01Ｇａ0.99Ｎ）層を障壁層とする多重量子井戸構造からなる発光層１０４を積層した。多重量子井戸構造の発光層１０４は、井戸層と障壁層の対数（ペア数）を５として形成した。ｎ形発光層１０４上には、ｐ形のＡｌ0.05Ｇａ0.95Ｎ層（層厚約５０ｎｍ、キャリア濃度約３×１０17ｃｍ-3）からなる上部クラッド層１０５を積層させた。これより、ｎ形ＧａＮ層１０３からなる下部クラッド層と、発光層１０４と、上部クラッド層１０５とからｐｎ接合型ダブルヘテロ接合構造型の発光部４０を形成した。上部クラッド層１０５上には、第１の伝導形、即ち、本実施例１ではｐ形のＧａＮ層１０６をコンタクト層１０６として積層させた。
ｐ形珪素単結晶基板１０１上に、第１または第２の伝導形を有する上記の各半導体層１０２〜１０６を、同一の分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法で気相成長させ、積層構造体１００の形成を終了した後、第２の伝導形（本実施例１では、ｎ形である。）の半導体層に第２の極性（本実施例１では陰極である。）のオーミック電極１０８を設ける領域に限り、その上に在る半導体各層１０４〜１０６を除去した。半導体各層１０４〜１０６は、一般的なフォトリソグラフィー技術を利用してパターニングした領域を選択的にドライエッチング手段に依り除去した。
然る後、ドライエッチング手段を利用して露出させたｎ形ＧａＮ層１０３の表面に、第２の伝導形の半導体層（本実施例１では、ｎ形半導体層）のための第２の極性のオーミック電極１０８を形成した。結線用の台座（ｐａｄ）電極を兼用する、この第２の極性（陰極）のオーミック電極は、膜厚を約２μｍとするＬａ・Ａｌ合金真空蒸着膜から構成した。第２の極性のオーミック電極を兼ねる台座電極１０８は、平面視で、一辺の長さを約１２０μｍとする正方形とした。
一方、積層構造体１００の最表層をなす第１の伝導形（本実施例１では、ｐ形）のｐ形ＧａＮコンタクト層１０６の表面の一部領域には、平面視で略正方形の金（元素記号：Ａｕ）・ゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）合金膜からなる結線用の台座電極１０７ａを設けた。台座電極１０７ａの形状は、一辺の長さを約１１０μｍとする正方形とした。また、結線用台座電極１０７ａに電気的に導通させて、Ａｕ・ニッケル（元素記号：Ｎｉ）合金からなる第１の極性（本実施例１では陽極）のオーミック電極１０７ｂを設けた。第１の極性のオーミック電極１０７ｂは、上記のドライエッチングを施した後に残存する第１の伝導形（本実施例１ではｐ形）のｐ形ＧａＮコンタクト層１０６の全面に略均等にＬＥＤ駆動用電流を拡散させるために、格子状に配置した（図１参照）。
上記の如く、第１の極性（本実施例１では、陽極）と第２の極性（本実施例１では陰極）の両極性のオーミック電極１０７ｂ，１０８とを形成した後、一般的な裁断手段に依り、個別の素子へ分離し、一辺を約３５０μｍとする平面視正方形のチップ（ｃｈｉｐ）状のＬＥＤ１０を得た。両極性のオーミック電極１０７ｂ、１０８間に順方向に電流を通流したところ、ｐｎ接合型ヘテロ接合構造の発光部４０を備えたＬＥＤ１０からは、波長を約４５０ｎｍとする青色光が出射された。順方向電流を２０ｍＡとした際のＬＥＤ１０の順方向電圧（ＶF）は３．５Ｖであった。順方向電流を１０μＡとした際のＶFは、２．９Ｖとなった。また、逆方向電流を１０μＡとした際のＬＥＤ１０の逆方向電圧は、１５．０Ｖとなった。
（実施例２） 本実施例２では、上記の実施例１に記載のＬＥＤ１０を使用して、本発明に係わる、高い耐電圧性を有するＬＥＤランプを作製する場合を例にして、本発明の内容を具体的に説明する。
図３に、ＬＥＤランプ５０の断面構造を模式的に示す。図３において、図１及び図２に示したのと同一の構成要素については、同一の符号を付して示してある。
ＬＥＤランプ５０は、実施例１に記載のチップ状のＬＥＤ１０を、支持器５０１に載置し、固定して作製した。ＬＥＤ１０のｐ形珪素単結晶基板１０１の裏面は、支持器５０１の平坦な上面部５０１ａと電気的に導通させるために、一般的な導電性の銀（Ａｇ）ペーストで接着させた。また、支持器５０１の上面部５０１ａと電気的に導通している結線用電極端子５０２と実施例１に記載の第１の極性（実施例１では陽極であり、本実施例２においても陽極である。）の台座電極１０７ａとを金（Ａｕ）線５０３で電気的に接続した。これより、台座電極１０７ａを介して、第１の伝導形（＝ｐ形）の珪素単結晶基板１０１と、第１の極性（＝陽極）の格子状オーミック電極１０７ｂとを等電位とさせた。
一方、上記の実施例１に記載の第２の極性（＝陰極）のオーミック電極１０８は、支持器５０１の本体及び上面部５０１ａとも電気的に絶縁させて設けた他の一方の結線用電極端子５０４に金線５０５で電気的に接続した。第１の伝導形（＝ｐ形）の珪素単結晶基板１０１及び第１の極性のオーミック電極１０７ｂ（＝陽極）と、第２の極性のオーミック電極１０８（＝陰極）とは等電位にはしない結線を施した。次に、一般的な半導体素子封止用のエポキシ樹脂５０６で、ＬＥＤ１０の外周囲を被覆（モールド）して、ＬＥＤランプ５０とした。
第１の伝導形（＝ｐ形）の珪素単結晶基板１０１と第１の極性のオーミック電極１０７ｂ（＝陽極）との双方に電気的に導通する電極端子５０２と、第２の極性のオーミック電極１０８（＝陰極）に電気的に導通する電極端子５０４との間に順方向に電流を流し、ＬＥＤランプ５０の光学的並びに電気的特性を測定した。主たる発光スペクトルの波長は約４５０ｎｍであり、上記の実施例１に記載のチップ状のＬＥＤ１０と然したる変化は認められなかった。一般的な積分球を利用して測光したＬＥＤランプ５０の光度は、約２カンデラ（ｃｄ）であった。
また、順方向に２０ｍＡの順方向電流を通流した場合の順方向電圧（ＶF）は３．５Ｖであり、順方向電流を１０μＡとした際のＶFは、２．９Ｖであった。逆方向電流を１０μＡとした際のＬＥＤランプ５０の逆方向電圧（ＶR）も約１５Ｖであり、ＬＥＤランプとなすための上記の結線及びモールド（ｍｏｌｄ）を施した後においても、順及び逆方向電圧に然したる変化は認められなかった。
次にＬＥＤランプ５０に故意に逆方向に過電圧を印加し、耐電圧性を試験した。この耐電圧性試験は、容量１００ピコファラッド（ｐＦ）及び抵抗１．５キロオーム（ｋΩ）を付加した電気回路を用い、ＬＥＤランプ５０の両電極端子間５０２、５０４に、逆方向に５００Ｖ〜１０００Ｖの過電圧を印加して実施した。過電圧を印加した後、ＬＥＤランプ５０をなすチップ状のＬＥＤ１０の順方向電圧（ＶF）を改めて測定したところ、耐電圧性試験の以前と略同様の約３．６Ｖであった。即ち、過電圧を故意に印加しても、発光部４０に備えられているｐｎ接合は、その過電流から保護され、破壊されることなく清浄な整流特性を発現することが示された。これは、逆方向に過電圧が印加されても、過電流を、第１の極性のオーミック電極１０７ｂ（＝陽極）と等電位に保たれた第１の伝導形（＝ｐ形）の珪素単結晶基板１０１を介して、発光部４０を迂回して第２の極性のオーミック電極１０８（＝陰極）に逃がすことができる、ＬＥＤ１０の逆方向電圧（ＶR）より低い耐電圧のｐｎ接合構造３０を発光部４０の直下に設けたためと理解された。
（実施例３） 本実施例３では、第１の伝導形のｐ形の珪素単結晶基板と、その上に積層させた第２の伝導形のｎ形のIII族窒化物半導体材料とから構成した耐電圧性を向上させるためのｐｎ接合構造（第２のｐｎ接合構造部）を内包するＬＥＤを構成する場合を例にして本発明の内容を具体的に説明する。
図４は、本実施例３で作製した、発光部に備えられているｐｎ接合に加えて、発光部以外に耐電圧性を向上させるためのｐｎ接合構造を内包するＬＥＤ２０の平面模式図である。また、図５は、図４に示す高耐電圧型ＬＥＤ２０の破線II−II'線に沿った断面模式図である。
ＬＥＤ２０を作製するための積層構造体２００は、硼素（Ｂ）をドープした、表面を（００１）結晶面とするｐ形珪素単結晶を基板２０１として形成した。従って、本実施例３では、第１の伝導形はｐ形である。
ｐ形珪素単結晶基板２０１の（００１）結晶面からなる表面には、ｎ形窒素アルミニウム（ＡｌＮ）薄膜層（層厚約１２ｎｍ）２０２を中間層として直接、接合させて設けた。第１の伝導形とは反対の伝導形（本実施例３では、ｎ形である。）のｎ形のＡｌＮ薄膜層２０２は、ＭＢＥ法により形成した。このｎ形ＡｌＮ薄膜層２０２は、本発明の云う第２の伝導形の中間層に該当する。
ｎ形ＡｌＮ薄膜層２０２の表面には、珪素（Ｓｉ）をドープしたｎ形の閃亜鉛鉱結晶型のＧａＮ層（層厚約２μｍ、キャリア濃度約２×１０18ｃｍ-3）２０３を積層させ、不用意に逆方向に印加される過電圧に因り発光部４１に過電流が通流するのを回避するためのｐｎ接合構造（第２のｐｎ接合構造部）７１を形成した。
別途、上記の第２のｐｎ接合構造部７１を形成するのに使用したのと同一の抵抗率、キャリア濃度及び厚さの硼素ドープ（００１）−ｐ形珪素単結晶基板上に、上記と同一の仕様の第２の伝導形のｎ形のＡｌＮ中間層及びｎ形のＧａＮ層をＭＢＥ法に依り気相成長させ、ｐｎ接合構造を形成した。第１の伝導形のｐ形珪素単結晶基板の裏面側に、一般的な真空蒸着手段に依り金（Ａｕ）膜を被着させた後、シンターしてオーミック電極となした。ｎ形ＧａＮ層の表面には、チタン（元素記号：Ｔｉ）膜からなるオーミック電極を形成し、このｐｎ接合の逆方向の耐電圧（本発明の云うＶBである。）を測定した。逆方向電流を１０μＡとした際の耐電圧は約７．４Ｖであった。
第２の伝導形（本実施例３では、ｎ形である。）のｎ形の立方晶ＧａＮ層２０３上には、上記の実施例１に記載したｎ形発光層２０４、ｐ形上部クラッド層２０５、及びｐ形コンタクト層２０６を順次、ＭＢＥ法に依り積層し、積層構造体２００を形成した。
然る後、上記の実施例１に記載の手順をもって、上記実施例１と同様に第１の極性のオーミック電極（本実施例３では、陽極）２０７ｂ、そのための台座電極２０７ａ、及び第２の極性のオーミック電極（本実施例３では、陰極である。）２０８を形成してＬＥＤ２０を得た。尚、本実施例３では、第１の極性のオーミック電極２０７ｂを、上記の実施例１に記載の平面視格子状の形状ではなく、円周の一部を不連続とした同心円状の形状として、ＬＥＤ駆動電流を、第１の伝導形のｎ形のＧａＮからなるコンタクト層２０６の略全面に拡散させる様に形成した。
ＬＥＤ２０を上記の実施例２に記載の支持器に固定して、上記の実施例２と同様に、第１の伝導形（本実施例では、ｐ形である。）のｐ形珪素単結晶基板２０１と第１の極性のオーミック電極２０７ｂと台座電極２０７ａとが等電位となる様に結線を施した。第２の極性のオーミック電極（本実施例３では、陰極である。）２０８は、第１の極性のオーミック電極２０７ｂを結線した電極端子と電気的に絶縁されている別の電極端子と結線した。その後、半導体素子封止用のエポキシ樹脂でモールドして、ＬＥＤランプとなした。
第１の極性のオーミック電極２０７ｂと導通する電極端子と、第２の極性のオーミック電極２０８とに導通する電極端子との間に、順方向に２０ｍＡの順方向電流を通流した際の順方向電圧（ＶF）は、約３．６Ｖであった。また、逆方向電流を１０μＡとした際の逆方向電圧（ＶR）は約１５．０Ｖであった。
作製したＬＥＤランプの中から３０個のランプを抜き取り、上記の実施例２に記載の手法により、耐電圧試験をした。その結果、１０００Ｖの過電圧を故意に逆方向に印加した際に、発光部に備えられているｐｎ接合に依る正常な整流特性が再現されず、発光部が破壊されたと判断されるＬＥＤランプは無かった。即ち、不用意或いは故意に逆方向に過電圧が印加されても、本発明に記載の如くのＶF及びＶRに関連した耐電圧（ＶB）を有するｐｎ接合構造（第２のｐｎ接合構造部）を内包させることに依り、耐電圧性の高いＬＥＤランプを安定して供給できることが示された。
（実施例４） 本実施例４では、第１の伝導形のｎ形の珪素単結晶基板と、その上に積層させた第２の伝導形のｐ形の単量体の燐化硼素（ＢＰ）とから構成した耐電圧性を向上させるためのｐｎ接合構造を内包するＬＥＤを構成する場合を例にして本発明の内容を具体的に説明する。
図６は、本実施例４で作製した、発光部に備えられているｐｎ接合に加えて、発光部以外に耐電圧性を向上させるためのｐｎ接合構造（第２のｐｎ接合構造部）を内包するＬＥＤ３０の平面模式図である。また、図７は、図６に示す高耐電圧型ＬＥＤの破線III−III'線に沿った断面模式図である。図６及び図７において、図１または図２に示したのと同一の構成要素については、同一の符合を付して記載してある。
ＬＥＤ３０を作製するための積層構造体３００は、燐（元素記号：Ｐ）をドープした、表面を（１１１）結晶面とするｎ形珪素単結晶を基板３０１として形成した。従って、本実施例４では、第１の伝導形はｎ形である。
ｎ形珪素単結晶基板３０１の（１１１）結晶面からなる表面には、ｐ形の単量体の燐化硼素（ＢＰ）層（層厚約０．７μｎｍ）３０２を直接、接合させて設け、ｎ形珪素単結晶基板３０１とＢＰ層３０２とによって第２のｐｎ接合構造部７２を構成した。第１の伝導形とは反対の伝導形（本実施例４では、ｐ形である。）のＢＰ層３０２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）を燐（Ｐ）源とするＭＯＣＶＤ法により１０５０℃で形成した。このｎ形ＢＰ層３０２は、本発明の云う第２の伝導形（本実施例４では、ｐ形である。）の半導体層に該当する。
別途、上記の第２のｐｎ接合構造部７２を形成するに使用したのと同一の抵抗率、キャリア濃度及び厚さの燐ドープ（１１１）−珪素単結晶基板上に、１０５０℃で上記と同一の仕様の第２の伝導形のｐ形のＢＰ層をＭＯＣＶＤ法に依り気相成長させ、ｐｎ接合構造を形成した。第１の伝導形のｎ形珪素単結晶基板の裏面側に、一般的な真空蒸着手段に依り金（Ａｕ）膜を被着させた後、シンターしてオーミック電極となした。ｐ形ＢＰ層の表面には、Ａｕ・亜鉛（元素記号：Ｚｎ）合金膜からなるオーミック電極を形成し、このｐｎ接合の逆方向の耐電圧（本発明の云うＶBである。）を測定した。このｐｎ接合構造の、逆方向電流を１０μＡとした際の耐電圧は約６．５ボルト（Ｖ）であった。
第２の伝導形（本実施例４では、ｐ形である。）のｐ形ＢＰ層３０２上には、上記の実施例１に記載したｎ形発光層３０４を積層させた後、更に、ｎ形ＢＰ層（層厚約０．４μｍ、キャリア濃度約１×１０19ｃｍ-3）からなる上部クラッド層３０５をＭＯＣＶＤ法に依り積層し、積層構造体３００を形成した。
然る後、上記の実施例１に記載の手順をもって、第１の伝導形の上部クラッド層３０５の表面に、第１の極性のオーミック電極（本実施例４では、陰極）３０７ｂ、そのための台座電極３０７ａを形成した。他の一方の極性の第２の極性のオーミック電極３０８は、ドライエッチング手段に依り、除去した領域に露出したｐ形ＢＰ層３０２の表面に形成してＬＥＤ３０を構成した。尚、本実施例４では、第１の極性のオーミック電極３０７ｂを、上部クラッド層３０５の表面に互いに孤立させて配置した複数の金（Ａｕ）・ゲルマニウム（元素記号：Ｇｅ）合金電極から構成した。第１の伝導形（実施例４では、ｎ形である。）の上部クラッド層３０５の表面に分散させて配置した合金電極は、直径を約３０μｍとする平面視で円形の形状とした。
これらの散在させた各オーミック電極３０７ｂとＬＥＤ駆動電流を給電する台座電極３０７ａとは、オーミック電極３０７ｂと台座電極３０７ａとの中間に、導電性のインジウム・錫複合酸化膜（英略称：ＩＴＯ）３０９を挿入する構成として（図７参照）、電気的に導通させた。ＩＴＯ膜３０９は、散在させた各オーミック電極３０７ｂの側面及び上面と充分に接触でき、且つ、結線時に台座電極３０７ａに加わる機械的な衝撃を吸収させるために、約１μｍの膜厚となる様に、一般的な高周波スパッタリング法で形成した。
一辺の長さを約３５０μｍとするＬＥＤ３０を、上記の実施例２に記載の支持器に固定して、上記の実施例２と同様に、第１の伝導形（本実施例４では、ｎ形である。）のｎ形珪素単結晶基板３０１と第１の極性のオーミック電極（本実施例４では、陰極である。）３０７ｂと台座電極３０７ａとが等電位となる様に結線を施した。第２の極性のオーミック電極（本実施例４では、陽極である。）は、第１の極性のオーミック電極３０７ｂを結線した電極端子と電気的に絶縁されている別の電極端子と結線した。その後、半導体素子封止用のエポキシ樹脂でモールドして、ＬＥＤランプとなした。
第１の極性のオーミック電極３０７ｂと導通する電極端子と、第２の極性のオーミック電極３０８とに導通する電極端子との間に、順方向に２０ｍＡの順方向電流を通流した際の順方向電圧（ＶF）は、約３．２Ｖであった。また、逆方向電流を１０μＡとした際の逆方向電圧（ＶR）は約１３．０Ｖであった。
作製したＬＥＤランプの中から３０個のランプを抜き取り、上記の実施例２に記載の手法により、耐電圧試験をした。その結果、１０００Ｖの過電圧を故意に逆方向に印加した際に、発光部に備えられているｐｎ接合に依る正常な整流特性が再現されず、発光部が破壊されたと判断されるＬＥＤランプは無かった。
即ち、上記実施例１乃至３に記載の如く、第１の伝導形がｐ形であっても、或いは、本実施例４に記載した様にｎ形であっても、また、上記実施例１乃至３に記載した如く、第１の極性のオーミック電極が陽極の場合であっても、或いは本実施例４に記載した様に陰極の場合であっても、不用意或いは故意に逆方向に過電圧が印加されても、本発明に記載の如くのＶF及びＶRに関連した耐電圧（ＶB）を有するｐｎ接合構造（第２のｐｎ接合構造部）を同一素子内に内包させたＬＥＤを用いることに依り、耐電圧性の高いＬＥＤランプを安定して供給できることが示された。
本発明の実施例１に記載のＬＥＤの平面模式図である。 図１に記載のＬＥＤの破線Ｉ−Ｉ’に沿った断面模式図である。 本発明の実施例２に記載のＬＥＤランプの断面模式図である。 本発明の実施例３に記載のＬＥＤの平面模式図である。 図４に記載のＬＥＤの破線II−II'に沿った断面模式図である。 本発明の実施例４に記載のＬＥＤの平面模式図である。 図６に記載のＬＥＤの破線III−III'に沿った断面模式図である。
符号の説明
１０ ＬＥＤ（発光ダイオード）
２０ ＬＥＤ（発光ダイオード）
３０ ＬＥＤ（発光ダイオード）
４０ 発光部
５０ ＬＥＤランプ（発光ダイオードランプ）
１００ 積層構造体
１０１ 珪素単結晶基板
１０２ 炭化珪素薄膜層
１０３ ｎ形ＧａＮ層
１０４ 発光層
１０５ 上部クラッド層
１０６ コンタクト層
１０７ａ 台座電極
１０７ｂ 第１の極性のオーミック電極
１０８ 第２の極性のオーミック電極（台座電極）
２００ 積層構造体
２０１ 珪素単結晶基板
２０２ ｎ形ＡｌＮ薄膜層
２０３ ｎ形の立方晶ＧａＮ層
２０４ 発光層
２０５ 上部クラッド層
２０６ コンタクト層
２０７ａ 台座電極
２０７ｂ 第１の極性のオーミック電極
２０８ 第２の極性のオーミック電極
３００ 積層構造体
３０１ 珪素単結晶基板
３０２ ｐ形ＢＰ層
３０４ 発光層
３０５ 上部クラッド層
３０７ａ 台座電極
３０７ｂ 第１の極性のオーミック電極
３０８ 第２の極性のオーミック電極
３０９ ＩＴＯ膜
４０２ 上部クラッド層
５０１ 支持器
５０１ａ 上面部
５０２ 結線用電極端子
５０３ 金線
５０４ 結線用電極端子
５０５ 金線
５０６ エポキシ樹脂

Claims (10)

  1. 第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板上のIII族窒化物半導体から構成された第１のｐｎ接合構造部を含む発光部と、その発光部上に設けられた第１の伝導形の半導体のための第１の極性のオーミック電極と、珪素単結晶基板に関して発光部と同一側の、第２の伝導形の半導体のための第２の極性のオ−ミック電極と、が備えられている発光ダイオードにおいて、
    上記第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板に接合させて設けられた第２の伝導形の半導体層とで、珪素単結晶基板から発光部に渡る領域に第２のｐｎ接合構造部を構成し、
    上記第２の極性のオーミック電極が形成されている第２の伝導形の半導体層から第１の極性のオーミック電極に向けての第１のｐｎ接合構造部の伝導形の配列と、上記第２の伝導形の半導体層から第１の伝導形の珪素単結晶基板に向けての第２のｐｎ接合構造部の伝導形の配列とは、同一である、
    ことを特徴とする発光ダイオード。
  2. 第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板上のIII族窒化物半導体から構成された第１のｐｎ接合構造部を含む発光部と、その発光部上に設けられた第１の伝導形の半導体のための第１の極性のオーミック電極と、珪素単結晶基板に関して発光部と同一側の、第２の伝導形の半導体のための第２の極性のオ−ミック電極と、が備えられている発光ダイオードにおいて、
    上記第１の伝導形の珪素単結晶基板に接合させて設けられた第２の伝導形の中間層と、その中間層に接合させて設けられた第２の伝導形の半導体層とを備え、第１の伝導形の珪素単結晶基板と第２の伝導形の中間層とで、珪素単結晶基板から発光部に渡る領域に第２のｐｎ接合構造部を構成し、
    上記第２の極性のオーミック電極が形成されている第２の伝導形の半導体層から第１の極性のオーミック電極に向けての第１のｐｎ接合構造部の伝導形の配列と、上記第２の伝導形の半導体層から第１の伝導形の珪素単結晶基板に向けての第２のｐｎ接合構造部の伝導形の配列とは、同一である、
    ことを特徴とする発光ダイオード。
  3. 第１の伝導形の珪素単結晶基板と、その珪素単結晶基板上のIII族窒化物半導体から構成された第１のｐｎ接合構造部を含む発光部と、その発光部上に設けられた第１の伝導形の半導体のための第１の極性のオーミック電極と、珪素単結晶基板に関して発光部と同一側の、第２の伝導形の半導体のための第２の極性のオ−ミック電極と、が備えられている発光ダイオードにおいて、
    上記第１の伝導形の珪素単結晶基板に接合させて設けられた第１の伝導形の中間層と、その中間層に接合させて設けられた第２の伝導形の半導体層とを備え、第１の伝導形の中間層と第２の伝導形の半導体層とで、珪素単結晶基板から発光部に渡る領域に第２のｐｎ接合構造部を構成し、
    上記第２の極性のオーミック電極が形成されている第２の伝導形の半導体層から第１の極性のオーミック電極に向けての第１のｐｎ接合構造部の伝導形の配列と、上記第２の伝導形の半導体層から第１の伝導形の珪素単結晶基板に向けての第２のｐｎ接合構造部の伝導形の配列とは、同一である、
    ことを特徴とする発光ダイオード。
  4. 上記中間層は、珪素を富裕に含む非化学量論的組成を有する炭化珪素（ＳｉＣ）から構成されている、請求項２または３に記載の発光ダイオード。
  5. 上記中間層は、III族窒化物半導体から構成されている、請求項２または３に記載の発光ダイオード。
  6. 上記第２の伝導形の半導体層は、燐化硼素（ＢＰ）系半導体から構成されている、請求項１乃至５の何れか１項に記載の発光ダイオード。
  7. 上記第２の伝導形の半導体層は、第２の伝導形のIII族窒化物半導体材料から構成されている、請求項１乃至５の何れか１項に記載の発光ダイオード。
  8. 上記第２のｐｎ接合構造部におけるｐｎ接合構造の逆方向の耐電圧が、上記第１のｐｎ接合構造部を含む発光部を備えた発光ダイオードの順方向電圧を超えて高く、発光ダイオードの逆方向電圧よりも小さい、請求項１乃至７の何れか１項に記載の発光ダイオード。
  9. 請求項８に記載の発光ダイオードを、支持器に固定して構成した発光ダイオードランプであって、第１の伝導形の珪素結晶基板と、第１の極性のオーミック電極とが、略同一の電位に電気的に接続されている、
    ことを特徴とする発光ダイオードランプ。
  10. 第１の伝導形の珪素結晶基板と電気的に接触する支持器の領域を、第１の極性のオーミック電極と略同一の電位とした、請求項９に記載の発光ダイオードランプ。
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