JPH11346001A - Iii group nitride semiconductor light emitting element - Google Patents
Iii group nitride semiconductor light emitting elementInfo
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- JPH11346001A JPH11346001A JP15411698A JP15411698A JPH11346001A JP H11346001 A JPH11346001 A JP H11346001A JP 15411698 A JP15411698 A JP 15411698A JP 15411698 A JP15411698 A JP 15411698A JP H11346001 A JPH11346001 A JP H11346001A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、導電性の珪素単
結晶基板上に緩衝層を介しIII 族窒化物半導体からなる
発光部を積層して構成したIII 族窒化物半導体発光素子
に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a group III nitride semiconductor light emitting device in which a light emitting part made of a group III nitride semiconductor is laminated on a conductive silicon single crystal substrate via a buffer layer. .
【0002】[0002]
【従来の技術】構造式AlAGaBInCQ1-ZNZ (0≦
A、B、C≦1、A+B+C=1、0<Z≦1、記号Q
は窒素以外の第V元素を表す。)で表記されるIII 族窒
化物半導体結晶は、近紫外帯、青色帯から緑色帯に掛け
ての短波長光を発するに適する禁止帯幅を有している
(末松安晴著、「光デバイス」(平成9年5月15日初
版第8刷、(株)コロナ社発行)、28〜29頁参
照)。このため、青色帯などの発光ダイオード(LE
D)やレーザダイオード(LD)の発光部に利用されて
いる(Mat.Res.Soc.Symp.Pro
c.、Vol.449(1997)、509〜518頁
照)。これらの発光素子の発光部は、高い発光出力を得
るのに有利なpn接合型のダブルヘテロ(DH)接合構
造から構成するのが常套となっている(寺本巌著、「半
導体デバイス概論」(1995年3月30日初版、
(株)培風館発行)、124〜125頁参照)。2. Description of the Related Art Structural formulas Al A Ga B In C Q 1 -Z N Z (0 ≦
A, B, C ≦ 1, A + B + C = 1, 0 <Z ≦ 1, symbol Q
Represents a V element other than nitrogen. The group III nitride semiconductor crystal represented by) has a forbidden band width suitable for emitting short-wavelength light in the near-ultraviolet band and the blue to green band (Yasuharu Suematsu, “Optical Devices”). (Refer to the first edition, 8th printing on May 15, 1997, published by Corona Co., Ltd.), pp. 28-29). For this reason, light emitting diodes (LE
D) and a light emitting unit of a laser diode (LD) (Mat. Res. Soc. Symp. Pro).
c. Vol. 449 (1997), pp. 509-518). The light-emitting portion of these light-emitting elements is usually formed of a pn-junction type double hetero (DH) junction structure advantageous for obtaining high light-emission output (Iwao Teramoto, "Introduction to Semiconductor Devices" ( First edition on March 30, 1995,
(Published by Baifukan Co., Ltd.), pages 124-125).
【0003】従来のIII 族窒化物半導体から成る発光素
子の多くは、六方晶のサファイア(α−Al2O3単結
晶)を基板材料としている(Jpn.J.Appl.P
hys.、34(1995)、L1332〜L1335
頁参照)。そして、このサファイア基板上には、一般的
に、積層させるIII 族窒化物半導体結晶層との格子のミ
スマッチ(mis−match)を緩和する目的で緩衝
層が設けられている(特開平2−229476号、及
び特開平4−297023号の各公報明細書参照)。
緩衝層は通常、窒化アルミニウム・ガリウム(AlAG
aBN:0≦A、B≦1、A+B=1)から構成され、
また、約400℃から約900℃の比較的低温で成膜さ
れる(赤崎勇編著、「III −V族化合物半導体」(19
94年5月20日初版、(株)培風館発行)、335〜
337頁参照)。[0003] Many conventional light emitting devices made of Group III nitride semiconductors use hexagonal sapphire (α-Al 2 O 3 single crystal) as a substrate material (Jpn. J. Appl. P).
hys. , 34 (1995), L1332-L1335
Page). In addition, a buffer layer is generally provided on the sapphire substrate for the purpose of relieving a lattice mismatch (mis-match) with the group III nitride semiconductor crystal layer to be laminated (Japanese Patent Laid-Open No. 2-229476). And Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-297,023).
The buffer layer is usually made of aluminum gallium nitride (Al A G
a B N: 0 ≦ A, B ≦ 1, A + B = 1)
In addition, a film is formed at a relatively low temperature of about 400 ° C. to about 900 ° C. (Edited by Isamu Akasaki, “III-V Group Compound Semiconductor” (19
First edition, May 20, 1994, published by Baifukan Co., Ltd.), 335-
337).
【0004】しかし、上記のように基板にサファイアを
用いて発光素子を構成した場合、次のような問題点が生
じる。先ず、サファイアが電気的な絶縁体であるため
に、発光素子を構成するに必要なn形及びp形双方のオ
ーミック電極を同一サイドに設けることとなり、その内
の一方の電極は、発光部の一部を除去して設ける必要が
あることである。発光部の一部を除去することは、発光
をもたらす領域(即ち、pn接合領域)の表面積の徒な
減少を帰結し、高発光強度の発光素子を得るに不利とな
る(上記のJpn.J.Appl.Phys.、34
(1995)、L1333頁のFig.1参照)。[0004] However, when the light emitting element is formed by using sapphire for the substrate as described above, the following problems occur. First, since sapphire is an electrical insulator, both n-type and p-type ohmic electrodes necessary for forming a light-emitting element are provided on the same side, and one of the electrodes is used for a light-emitting portion. That is, it is necessary to remove and provide a part. The removal of a part of the light emitting portion results in a remarkable decrease in the surface area of a region that emits light (that is, a pn junction region), which is disadvantageous for obtaining a light emitting element with high light emission intensity (see Jpn. Appl.Phys., 34.
(1995), FIG. 1).
【0005】また、六方晶に属するサファイアが明瞭な
劈開性を呈しないことである。この劈開性の欠如は、例
えば、LDにあって、レーザ光の共振を促す、平滑性と
平坦性が要求される光共振面の形成を阻害する。Another problem is that sapphire belonging to the hexagonal system does not exhibit clear cleavage. The lack of the cleavage property inhibits the formation of an optical resonance surface that promotes laser light resonance and requires smoothness and flatness in an LD, for example.
【0006】さらに、六方晶基板の上には自ずと六方晶
のIII 族窒化物半導体結晶層が成膜されるが、この六方
晶のIII 族窒化物半導体結晶層では、立方晶結晶に比較
してp形伝導層を得るのが困難であるということであ
る。これは、閃亜鉛鉱(zinc−blend)型等の
立方晶結晶と、ウルツ鉱(wurzite)型の六方晶
結晶とでは、価電子帯の正孔バンドの縮帯に関して差異
があるからである(生駒俊明、生駒英明共著、「化合物
半導体の基礎物性入門」((株)培風館発行)、17頁
参照)。すなわち、価電子帯の正孔バンドの縮帯が、ウ
ルツ鉱型六方晶結晶の場合は解放されているため、その
結果として正孔を放出しにくくなり、したがってp形伝
導層を得にくいのに対し、立方晶では、価電子帯の正孔
バンドの縮帯が解放されていないため、それだけ正孔を
放出しやすくなり、低抵抗のp形伝導層を形成するのが
容易となる。Further, a hexagonal group III nitride semiconductor crystal layer is naturally formed on a hexagonal substrate, and the hexagonal group III nitride semiconductor crystal layer is formed as compared with a cubic crystal. It is difficult to obtain a p-type conductive layer. This is because a cubic crystal such as a zinc-blend type and a wurtzite-type hexagonal crystal have a difference in the band gap of the valence band in the valence band ( See Tokaki Ikoma and Hideaki Ikoma, "Introduction to Basic Properties of Compound Semiconductors" (published by Baifukan Co., Ltd., p. 17). That is, in the case of the wurtzite-type hexagonal crystal, the confinement band of the hole band of the valence band is released, and as a result, it becomes difficult to release holes, and thus it is difficult to obtain a p-type conductive layer. On the other hand, in the cubic crystal, since the constriction of the hole band of the valence band is not released, the holes are easily released and the p-type conductive layer with low resistance is easily formed.
【0007】上記のような、六方晶のサファイアを基板
としてIII 族窒化物半導体発光素子を構成した場合に生
じる諸問題点は、立方晶単結晶を基板とすることによ
り、解決が図られると期待される。例えば、立方晶単結
晶として、ダイヤモンド結晶構造型の珪素(Si)や、
砒化ガリウム(GaAs)やリン化ガリウム(GaP)
等の閃亜鉛鉱型のIII −V族化合物半導体結晶を基板と
して利用するものである。[0007] The above-mentioned various problems that occur when a group III nitride semiconductor light-emitting device is formed using hexagonal sapphire as a substrate are expected to be solved by using a cubic single crystal as a substrate. Is done. For example, as a cubic single crystal, diamond crystal structure type silicon (Si),
Gallium arsenide (GaAs) or gallium phosphide (GaP)
And the like. A zinc-blende type III-V compound semiconductor crystal is used as a substrate.
【0008】このような立方晶単結晶を基板として用い
ると、先ず、この基板には導電性のものを採用できるの
で、従来のオーミック電極の配置に伴う発光面積の減少
という問題点は解消される。また、これらのダイヤモン
ド構造型及び閃亜鉛鉱型の単結晶は、[011]結晶方
向に明瞭な劈開を呈するため、LDにおける光共振面の
形成を簡便に行うことができる。さらに、立方晶結晶で
あるため、低抵抗のp形伝導層を容易に形成することが
できる。When such a cubic single crystal is used as a substrate, first, since a conductive substrate can be used, the problem of a reduction in the light emitting area associated with the conventional arrangement of ohmic electrodes is solved. . Further, since these diamond structure type and zinc blende type single crystals exhibit a clear cleavage in the [011] crystal direction, it is possible to easily form an optical resonance surface in the LD. Furthermore, since it is a cubic crystal, a low-resistance p-type conductive layer can be easily formed.
【0009】このため、最近では、導電性の珪素(S
i)単結晶を基板としてIII 族窒化物半導体発光素子を
構成する技術が知られるようになっている(Elect
ron.Lett.、Vol.33、No.23(19
97)、1986〜1987頁参照)。そして、このシ
リコン基板とIII 族窒化物半導体結晶層との間に、窒化
アルミニウム(AlN)からなる薄層を緩衝層として配
備した例が開示されている(Appl.Phys.Le
tt.、72(4)(1998)、415〜417頁参
照)。For this reason, recently, conductive silicon (S
i) A technique for forming a group III nitride semiconductor light emitting device using a single crystal as a substrate has been known (Elect).
ron. Lett. Vol. 33, no. 23 (19
97), 1986-1987). An example is disclosed in which a thin layer made of aluminum nitride (AlN) is provided as a buffer layer between the silicon substrate and the group III nitride semiconductor crystal layer (Appl. Phys. Le).
tt. , 72 (4) (1998), 415-417).
【0010】この開示例に依れば、シリコン基板上に設
けたAlN結晶層は六方晶となっている。また、このA
lN結晶層上には、GaNを発光層として含むpn接合
型のDH構造発光部が設けられているが、その発光部は
六方晶のIII 族窒化物半導体結晶層から構成されるもの
となっている。すなわち、発光部は、サファイアを基板
とする従来のIII 族窒化物発光素子の場合と同じく、依
然として六方晶の結晶層から構成されているものとなっ
ており、シリコン基板を用いた効果を十分に発揮するに
至っていない。According to this example, the AlN crystal layer provided on the silicon substrate is hexagonal. Also, this A
On the 1N crystal layer, a pn junction type DH structure light emitting portion including GaN as a light emitting layer is provided, and the light emitting portion is formed of a hexagonal group III nitride semiconductor crystal layer. I have. In other words, the light emitting portion is still composed of a hexagonal crystal layer, as in the case of a conventional group III nitride light emitting device using sapphire as a substrate, and the effect of using a silicon substrate is sufficiently utilized. It has not been fully demonstrated.
【0011】また、シリコン(Si)を基板とするIII
族窒化物半導体発光素子の他の従来例では、閃亜鉛鉱型
立方晶のリン化硼素(BP)層を緩衝層とする構成が開
示されている(特開平2−275682号公報明細書参
照)。In addition, a method using silicon (Si) as a substrate III
In another conventional example of a group III nitride semiconductor light emitting device, a configuration in which a zinc blende-type cubic boron phosphide (BP) layer is used as a buffer layer is disclosed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-275682). .
【0012】[0012]
【発明が解決しようとする課題】しかし、緩衝層を形成
するBPの格子定数は、4.538Åであるのに対し、
基板を形成するSiのそれは5.431Åであり、両者
は大きく異なっている。したがって、上記の特開平2−
275682号公報が開示する従来例のように、緩衝層
を成長させる従来手法でSi基板の表面上へBP結晶層
の成膜を試みても、実際は、Si基板の表面上にBP系
結晶からなる成長島が散在するのみの状況となる(澁澤
直哉、寺嶋一高、「日本結晶成長学会誌」、Vol.2
4、No.2(1997)、150頁参照)。このよう
な連続性の無い膜上に、連続性を有する結晶層を積層さ
せるのは、極めて困難となる。However, while the lattice constant of BP forming the buffer layer is 4.538 °,
That of Si forming the substrate is 5.431 °, which is greatly different. Therefore, the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No.
Even if an attempt is made to form a BP crystal layer on the surface of a Si substrate by a conventional method of growing a buffer layer, as in the conventional example disclosed in 275682, the BP-based crystal is actually formed on the surface of the Si substrate. Growing islands are only scattered (Naoya Shibusawa, Kazutaka Terashima, "Journal of Japan Society for Crystal Growth", Vol.2)
4, no. 2 (1997), p. 150). It is extremely difficult to stack a crystal layer having continuity on such a film having no continuity.
【0013】また、緩衝層を成長させる従来手法でSi
基板上にBP系結晶を成長させることができたとして
も、その大半がB13P2 に代表されるような、硼素を多
原子とする六方晶結晶体(以下、「硼素多原子リン化硼
素」という)となり、立方晶構造を持つBPはわずかし
か生成されないことも分かった。そして、このような硼
素多原子リン化硼素を主体として成る緩衝層上には、そ
の緩衝層を構成する結晶の晶系を受け継いだ上層が形成
されるため、以下に述べるように、所望とする立方晶結
晶層の積層は困難である。[0013] In addition, a conventional method for growing a buffer
Even if a BP-based crystal can be grown on a substrate, most of it is a hexagonal crystal containing boron as a multi-atom (hereinafter, referred to as “boron polyatomic boron phosphide”) represented by B 13 P 2. "), And it was also found that BP having a cubic structure was generated only slightly. An upper layer inheriting the crystal system of the crystal constituting the buffer layer is formed on the buffer layer mainly composed of such boron-polyatomic boron phosphide. Lamination of cubic crystal layers is difficult.
【0014】図14は硼素多原子リン化硼素を主体とし
て成る緩衝層上に成膜したリン化硼素膜のX線回折スペ
クトルを示す図である。リン化硼素膜は、Si基板上に
形成した硼素多原子リン化硼素を主体として成る緩衝層
上に、1030℃で成長させ形成したものである。図に
示すように、リン化硼素膜には(111)と(112)
の2つの回折ピークが観察された。回折ピーク(11
1)は、Si基板の(004)結晶面に由来するピーク
である。また、回折ピーク(112)は、B13P 2 のミ
ラー面指数(hkl)を(220)、(021)、(0
27)若しくは(104)とする結晶面からのX線回折
に帰属されるピークである。BP2元結晶に由来する明
瞭な回折ピークは認知されなかった。このように、硼素
多原子リン化硼素を主体とする緩衝層上に、本来立方晶
構造を持つリン化硼素膜を形成しても、そのリン化硼素
膜は立方晶構造の存在比率が極めて低い結晶層となっ
た。FIG. 14 is mainly composed of boron polyatomic boron phosphide.
-Ray diffraction spectroscopy of boron phosphide film formed on buffer layer composed of
FIG. Boron phosphide film is deposited on Si substrate
Buffer layer formed mainly of boron polyatomic boron phosphide
It is formed by growing it at 1030 ° C. on it. In the figure
As shown, the boron phosphide film has (111) and (112)
Were observed. Diffraction peak (11
1) is a peak derived from the (004) crystal plane of the Si substrate.
It is. The diffraction peak (112) is13P TwoNo mi
The Lah index (hkl) is (220), (021), (0
27) or X-ray diffraction from (104) crystal plane
Is the peak attributed to Light from BP binary crystal
No obvious diffraction peak was recognized. Thus, boron
Originally cubic crystal on buffer layer mainly composed of polyatomic boron phosphide
Even if a boron phosphide film having a structure is formed, the boron phosphide
The film is a crystal layer with a very low cubic structure ratio
Was.
【0015】上記のように、Si基板上に緩衝層として
のBP層を成膜しようとしても、実際はB13P2 のよう
な硼素多原子リン化硼素を主体とする緩衝層となるた
め、この場合もやはり、その緩衝層上に形成する発光部
は六方晶のIII 族窒化物半導体結晶層となってしまい、
立方晶のSi基板を用いた効果を十分に発揮させること
はできない。As described above, even if an attempt is made to form a BP layer as a buffer layer on a Si substrate, the buffer layer is mainly composed of boron polyatomic boron phosphide such as B 13 P 2. Also in this case, the light emitting portion formed on the buffer layer becomes a hexagonal group III nitride semiconductor crystal layer,
The effect using the cubic Si substrate cannot be sufficiently exhibited.
【0016】この発明は上記に鑑み提案されたもので、
基板に立方晶のSi基板を用いることによる効果を充分
に発揮させることができるIII 族窒化物半導体発光素子
を提供することを目的とする。The present invention has been proposed in view of the above,
It is an object of the present invention to provide a group III nitride semiconductor light emitting device capable of sufficiently exhibiting the effect of using a cubic Si substrate as a substrate.
【0017】[0017]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に記載の発明は、導電性の珪素単結晶基板
上に緩衝層を介しIII 族窒化物半導体からなる発光部を
積層して構成したIII族窒化物半導体発光素子におい
て、上記緩衝層を、III 族元素とV族元素との構成割合
を1対1とするBP系III −V族化合物半導体結晶を主
体晶とし、硼素元素とリン元素との構成割合を6対1以
上とする硼素多原子リン化硼素結晶(BxPY :X≧
6、0<Y≦2)を従属晶として形成した、ことを特徴
としている。In order to achieve the above-mentioned object, according to the first aspect of the present invention, a light emitting portion made of a group III nitride semiconductor is laminated on a conductive silicon single crystal substrate via a buffer layer. In the III-nitride semiconductor light-emitting device constructed as described above, the buffer layer is mainly composed of a BP-based III-V compound semiconductor crystal having a composition ratio of a III-group element to a V-group element of 1: 1. Boron polyatomic boron phosphide crystal in which the composition ratio of the element and the phosphorus element is 6: 1 or more (B x P Y : X ≧
6, 0 <Y ≦ 2) are formed as subordinate crystals.
【0018】また、請求項2に記載の発明は、上記した
請求項1に記載の発明の構成に加えて、上記緩衝層は、
珪素単結晶基板との接合界面側で単結晶体となり、その
上層側で非晶質体となっている、ことを特徴としてい
る。According to a second aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect of the present invention, the buffer layer further comprises:
It is characterized in that it becomes a single crystal at the bonding interface side with the silicon single crystal substrate and becomes amorphous at the upper layer side.
【0019】請求項3に記載の発明は、上記した請求項
1に記載の発明の構成に加えて、上記従属晶は全体の1
0%以下である、ことを特徴としている。According to a third aspect of the present invention, in addition to the constitution of the first aspect of the present invention, the dependent crystal as a whole
0% or less.
【0020】また、請求項4に記載の発明は、上記した
請求項1に記載の発明の構成に加えて、上記主体晶はリ
ン化硼素結晶(BP)である、ことを特徴としている。According to a fourth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect of the invention, the main crystal is a boron phosphide crystal (BP).
【0021】また、請求項5に記載の発明は、上記した
請求項1に記載の発明の構成に加えて、上記主体晶はリ
ン化硼素・ガリウム結晶である、ことを特徴としてい
る。According to a fifth aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect, the main crystal is a boron-gallium phosphide crystal.
【0022】さらに、請求項6に記載の発明は、上記し
た請求項1に記載の発明の構成に加えて、上記主体晶は
リン化硼素・インジウム結晶である、ことを特徴として
いる。Further, the invention according to claim 6 is characterized in that, in addition to the configuration of the invention described in claim 1, the main crystal is a boron-indium phosphide crystal.
【0023】また、請求項7に記載の発明は、上記した
請求項1に記載の発明の構成に加えて、上記緩衝層を、
異なる構成割合の主体晶を持つ緩衝層を重層させて形成
した、ことを特徴としている。According to a seventh aspect of the present invention, in addition to the configuration of the first aspect of the present invention, the buffer layer further comprises:
It is characterized in that buffer layers having different proportions of the main crystals are formed in layers.
【0024】さらに、請求項8に記載の発明は、上記し
た請求項1に記載の発明の構成に加えて、上記緩衝層と
上記発光部構成層との間に介在層を設けたことを特徴と
している。Further, the invention according to claim 8 is characterized in that an intervening layer is provided between the buffer layer and the light emitting portion constituting layer in addition to the structure of the invention described in claim 1. And
【0025】請求項9に記載の発明は、上記した請求項
8に記載の発明の構成に加えて、上記介在層は組成勾配
層である、ことを特徴としている。According to a ninth aspect of the present invention, in addition to the constitution of the eighth aspect, the intervening layer is a composition gradient layer.
【0026】また、請求項10に記載の発明は、上記し
た請求項1から9のいずれかに記載の構成に加えて、上
記緩衝層は250℃以上600℃以下の低温で成長させ
た低温緩衝層である、ことを特徴としている。According to a tenth aspect of the present invention, in addition to the configuration according to any one of the first to ninth aspects, the buffer layer is a low-temperature buffer grown at a low temperature of 250 ° C. or more and 600 ° C. or less. Layer.
【0027】[0027]
【発明の実施の形態】以下にこの発明の実施の形態を図
面に基づいて詳細に説明する。図1はこの発明のIII 族
窒化物半導体発光素子の積層構造の一部を模式的に示す
図である。図において、この発明のIII 族窒化物半導体
発光素子10は、導電性の珪素(Si)単結晶基板1上
に緩衝層2を介しIII 族窒化物半導体からなる発光部3
を積層して構成してある。Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram schematically showing a part of a laminated structure of a group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention. Referring to FIG. 1, a group III nitride semiconductor light emitting device 10 of the present invention includes a light emitting unit 3 made of a group III nitride semiconductor on a conductive silicon (Si) single crystal substrate 1 via a buffer layer 2.
Are laminated.
【0028】上記のSi単結晶基板1は、ダイヤモンド
構造型の立方晶であり、その[011]結晶方向に明瞭
な劈開性を有している。このSi単結晶基板1に緩衝層
2が積層される。なお、Si以外の導電性のある半導体
単結晶材料には、砒化ガリウム(GaAs)やリン化ガ
リウム(GaP)のようなIII −V族化合物半導体結晶
が挙げられるが、上層のIII 族窒化物半導体結晶層の成
膜には、時として約1000℃を越える高温が必要とさ
れる場合があり、この実施形態では耐熱性等の優位性か
ら、Si単結晶を基板として用いることとする。The Si single crystal substrate 1 is a cubic crystal having a diamond structure, and has a clear cleavage in the [011] crystal direction. The buffer layer 2 is laminated on the Si single crystal substrate 1. The conductive semiconductor single crystal material other than Si includes a group III-V compound semiconductor crystal such as gallium arsenide (GaAs) or gallium phosphide (GaP). In some cases, a high temperature exceeding about 1000 ° C. is required for forming a crystal layer. In this embodiment, a Si single crystal is used as a substrate because of its superiority such as heat resistance.
【0029】上記の緩衝層2は、立方晶のリン化硼素
(BP)系III −V族化合物半導体結晶21を主体晶と
し、硼素元素とリン元素との構成割合を6対1以上とす
る硼素多原子リン化硼素結晶(BiPj:i≧6、0<j
≦2)22を従属晶として有している。この緩衝層2の
詳細は後述する。The buffer layer 2 is mainly composed of a cubic boron phosphide (BP) -based III-V compound semiconductor crystal 21 having a composition ratio of boron element to phosphorus element of 6: 1 or more. Polyatomic boron phosphide crystal (B i P j : i ≧ 6, 0 <j
≦ 2) 22 as a subordinate crystal. Details of the buffer layer 2 will be described later.
【0030】上記の発光部3は、緩衝層2上にIII 族窒
化物半導体から成る結晶層を積層して構成され、緩衝層
2の主体晶が立方晶であるため、この発光部3の各層も
立方晶を主体として構成される。発光部3は、例えば立
方晶のn形AlAGaBN(0≦A、B≦1、A+B=
1)結晶層を下部クラッド層とし、立方晶のn形GaC
InD N(0≦C、D≦1、C+D=1)を発光層と
し、また、立方晶のp形AlAGaBN(0≦A、B≦
1、A+B=1)結晶層を上部クラッド層として構成さ
れる。この場合、発光層を、GaCInDN層を量子井戸
層とする量子井戸構造体として形成してもよい。The light emitting section 3 is formed by laminating a crystal layer made of a group III nitride semiconductor on the buffer layer 2. Since the main crystal of the buffer layer 2 is a cubic crystal, each layer of the light emitting section 3 is formed. Are also mainly composed of cubic crystals. Emitting unit 3, for example, n-type cubic Al A Ga B N (0 ≦ A, B ≦ 1, A + B =
1) A cubic n-type Ga C
In D N (0 ≦ C, D ≦ 1, C + D = 1) is used as a light emitting layer, and a cubic p-type Al A Ga B N (0 ≦ A, B ≦
1, A + B = 1) The crystal layer is configured as an upper cladding layer. In this case, the light-emitting layer, the Ga C In D N layer may be formed as a quantum well structure and the quantum well layer.
【0031】また、この実施形態での発光部3は、上記
のように、立方晶に形成できるので、熱処理などのp形
化のための特別な処理を要せずとも、低抵抗のp形伝導
層を容易に形成することができる。Further, since the light-emitting portion 3 in this embodiment can be formed into a cubic crystal as described above, a low-resistance p-type can be obtained without requiring any special treatment such as heat treatment. The conductive layer can be easily formed.
【0032】緩衝層2は、上記したように、III 族元素
として硼素Bを、またV族元素としてリンPを含む立方
晶のIII −V族化合物半導体結晶(以下、「BP系III
−V族化合物半導体結晶」という)21と、硼素元素を
多数含む硼素多原子BP結晶22とから構成する。BP
系III −V族化合物半導体結晶21は、BPだけでな
く、例えば、III 族構成元素としてガリウムGaやイン
ジウムInを構成元素として含む多元混晶で構成するこ
とができる。ただし、特性の安定した緩衝層2を簡便に
得る上では、母体材料はできるだけ簡便な構成からなる
のが望ましく、BとPを含む多元混晶から緩衝層2を構
成する場合でも、5元混晶よりも4元混晶、4元混晶よ
りも3元混晶から構成するのが望ましい。As described above, the buffer layer 2 is made of a cubic group III-V compound semiconductor crystal containing boron B as a group III element and phosphorus P as a group V element (hereinafter referred to as "BP-based III
21) and a boron polyatomic BP crystal 22 containing a large number of boron elements. BP
The system III-V compound semiconductor crystal 21 can be made of not only BP but also, for example, a multi-element mixed crystal containing gallium Ga or indium In as a group III constituent element. However, in order to easily obtain the buffer layer 2 having stable characteristics, it is desirable that the base material has a configuration that is as simple as possible. It is desirable to use a quaternary mixed crystal rather than a quaternary mixed crystal.
【0033】主体晶を3元混晶とする場合、リン化硼素
・ガリウム混晶(BXGa1-XP:0≦X≦0.04)
と、リン化硼素・インジウム混晶(BYIn1-YP:0≦
Y≦0.66)とは、特に、緩衝層2を構成するのに適
している。何故ならば、硼素組成比Xを0.02とする
閃亜鉛鉱型のB0.02Ga0.98P混晶、及び硼素組成比Y
を0.33とするB0.33In0.67P混晶は、いずれも基
板として用いるSiの格子定数5.431Åと同じ格子
定数を持ち、その近傍の硼素組成比の各混晶もSiにほ
ぼ格子整合をなすからである。When the main crystal is a ternary mixed crystal, a boron phosphide / gallium mixed crystal (B X Ga 1 -X P: 0 ≦ X ≦ 0.04)
And a mixed crystal of boron phosphide and indium (B Y In 1-Y P: 0 ≦
Y ≦ 0.66) is particularly suitable for forming the buffer layer 2. This is because a zinc blende type B 0.02 Ga 0.98 P mixed crystal having a boron composition ratio X of 0.02 and a boron composition ratio Y
B 0.33 In 0.67 P mixed crystal having a value of 0.33 has the same lattice constant as 5.431 ° of the lattice constant of Si used as the substrate, and each mixed crystal having a boron composition ratio in the vicinity thereof is almost lattice-matched to Si. It is because
【0034】一方、硼素多原子BP結晶22を一般式B
iPj(i≠0、j≧1)で表記するとすれば、iを7
から10とする多原子結晶の存在が知られている(庄野
克房著、「半導体技術(上)」(1992年6月25日
9刷、(財)東京大学出版会発行)、76頁参照)。加
えて代表的なBiPj結晶には、i=13、j=2の化
学式B13P2 で表記される結晶がある(V.I.MA
TKOVICH、Acta.Cryst.、14(19
61)、93頁、及びJ.Amer.Ceramic
Society、47(1964)、44〜46頁参
照)。On the other hand, a boron polyatomic BP crystal 22 is represented by the general formula B
Assuming that iPj (i ≠ 0, j ≧ 1), i is 7
The existence of polyatomic crystals from No. 10 to No. 10 is known (Katsufusa Shono, "Semiconductor Technology (1)" (9th edition, June 25, 1992, published by The University of Tokyo Press, p. 76). ). In addition, a typical BiPj crystal includes a crystal represented by a chemical formula B 13 P 2 where i = 13 and j = 2 (VIMA).
TKOVICH, Acta. Cryst. , 14 (19
61), page 93, and J.I. Amer. Ceramic
Society, 47 (1964), pp. 44-46).
【0035】本発明では、立方晶のBP系III −V族化
合物半導体結晶21と、硼素多原子BP結晶22とに
は、量的な規定を加え、BP系III −V族化合物半導体
結晶21を、硼素多原子BP結晶22よりも量的に多く
する。すなわち、BP系III −V族化合物半導体結晶2
1を主体晶とし、硼素多原子BP結晶22を従属晶とし
て、緩衝層2を構成する。In the present invention, the BP-based III-V compound semiconductor crystal 21 and the boron polyatomic BP crystal 22 are quantitatively defined, and the BP-based III-V compound semiconductor crystal 21 is , More than the boron polyatomic BP crystal 22. That is, the BP III-V compound semiconductor crystal 2
The buffer layer 2 is formed with 1 as a main crystal and a boron polyatomic BP crystal 22 as a subordinate crystal.
【0036】このように、多原子BP結晶を従属晶とし
その量を少なく規制するのは、従来技術の項でも述べた
ように、多原子BP結晶が六方晶系であり(Ame
r.Ceramic Society、47(196
4)、44〜46頁、及びAmerican Soc
iety of Testing Materials
card 13−205参照)、この六方晶系で緩衝層
を形成すると、発光部も六方晶系となり、基板に立方晶
のSi基板を用いて発光部を立方晶としようとする本発
明の目的を達成できなくなるからである。As described above, the polyatomic BP crystal is a hexagonal system (Ame), as described in the section of the prior art.
r. Ceramic Society, 47 (196
4), pages 44-46, and American Soc
iety of Testing Materials
When the buffer layer is formed with this hexagonal system, the light emitting portion also becomes hexagonal, and the object of the present invention is to make the light emitting portion cubic using a cubic Si substrate. This is because it cannot be achieved.
【0037】具体的には、従属晶の硼素多原子BP結晶
22の量を、緩衝層2全体の約30%未満となるように
し、10%以下とするのが特に好ましい。従属晶をこの
程度に少量とすれば、上層の結晶系に影響を及ぼすには
至らない。また、従属晶である硼素多原子BP結晶22
は必ずしも緩衝層2を構成する必須の構成要素でなくと
も差し支えはない。そして、硼素多原子BP結晶22に
おいて、分子を構成する硼素原子の数が増すと、自ずと
その分子が占有する体積が巨大となり、緩衝層2内の歪
みが増してしまうため、特に6以上の硼素原子を含む、
すなわち構造式BiPjにおいて、i≧6とする硼素多
原子BP結晶をその量を規制する対象とする。一分子を
構成するリン原子の数jは通常は1または2であり、こ
れに該当する硼素多原子BP結晶の構造式には、例え
ば、B6PやB12P2、B13P2 などがある。Specifically, the amount of the subordinate crystal boron polyatomic BP crystal 22 is set to be less than about 30% of the entire buffer layer 2, and it is particularly preferable to set the amount to 10% or less. If the amount of the dependent crystal is so small, it does not affect the crystal system of the upper layer. In addition, a polyatomic boron BP crystal 22
May not necessarily be an essential component of the buffer layer 2. In the boron polyatomic BP crystal 22, when the number of boron atoms constituting a molecule increases, the volume occupied by the molecule naturally increases, and the strain in the buffer layer 2 increases. Including atoms,
That is, in the structural formula BiPj, a boron polyatomic BP crystal where i ≧ 6 is an object whose amount is regulated. The number j of phosphorus atoms constituting one molecule is usually 1 or 2, and the structural formula of the corresponding boron polyatomic BP crystal includes, for example, B 6 P, B 12 P 2 , B 13 P 2 and the like. There is.
【0038】硼素多原子BP結晶として代表的なB13P
2 は、BPより次の反応式(1)に従って生成すること
が知られている。 52BP → 4B13P2 + 11P4 ・・・・・(1) この反応式(1)で表される、BPの熱分解に因るB13
P2 の生成は、高温である程活発に進行する(日本産業
技術振興協会 新材料技術委員会編、「化合物半導体デ
バイス」(1973年9月15日、(株)工業調査会発
行)、248頁参照)。したがって、化学式B13P2 で
代表される硼素多原子BP結晶22の含有量を少量に抑
制し、BP系III −V族化合物半導体結晶21の量を多
くするには、緩衝層2の成膜温度を低温とするのが妥当
である。例えば、三塩化リン(PCl3 )と三塩化硼素
(BCl3 )とを原料とするハライド気相エピタキシャ
ル(VPE)法でBPを主体晶とする緩衝層2を形成す
るに際し、成膜温度を約300℃から約500℃の範囲
に設定すれば、従属晶22の含有量に関する本発明の規
定を満足した緩衝層2を形成することができる。上記の
VPE法で、Si単結晶基板1の(001)結晶面上に
堆積する場合、特に望ましい温度は大凡、300℃から
400℃である。ジボラン(B2H6)及びホスフィン
(PH3 )を原料とする有機金属熱分解気相エピタキシ
ャル(MOVPE)法によるBPを主体晶とする緩衝層
2の成膜では、望ましい温度は概して、約250℃から
約600℃である。次に、このように比較的低温で緩衝
層2を形成した場合の緩衝層2の組織構成について、図
2を用いて説明する。B 13 P, a typical boron polyatomic BP crystal
It is known that 2 is produced from BP according to the following reaction formula (1). 52BP → 4B 13 P 2 + 11P 4 ... (1) B 13 due to the thermal decomposition of BP represented by this reaction formula (1)
The generation of P 2 progresses more actively as the temperature increases (edited by the Japan Society for Industrial Technology Promotion, New Materials Technology Committee, “Compound Semiconductor Device” (September 15, 1973, issued by the Industrial Research Institute, Inc.), 248 Page). Therefore, in order to suppress the content of the boron polyatomic BP crystal 22 represented by the chemical formula B 13 P 2 to a small amount and increase the amount of the BP-based III-V compound semiconductor crystal 21, it is necessary to form the buffer layer 2. It is reasonable to keep the temperature low. For example, when forming the buffer layer 2 mainly composed of BP by a halide vapor phase epitaxy (VPE) method using phosphorus trichloride (PCl 3 ) and boron trichloride (BCl 3 ) as raw materials, the film forming temperature is reduced to about When the temperature is set in the range of 300 ° C. to about 500 ° C., it is possible to form the buffer layer 2 that satisfies the regulation of the present invention regarding the content of the sub crystal 22. In the case of depositing on the (001) crystal plane of the Si single crystal substrate 1 by the above-described VPE method, a particularly desirable temperature is approximately from 300 ° C. to 400 ° C. In the formation of the buffer layer 2 mainly composed of BP by the metalorganic pyrolysis vapor phase epitaxy (MOVPE) method using diborane (B 2 H 6 ) and phosphine (PH 3 ) as a raw material, a desirable temperature is generally about 250 ° C. C to about 600C. Next, the structure of the buffer layer 2 when the buffer layer 2 is formed at a relatively low temperature will be described with reference to FIG.
【0039】図2は緩衝層の組織構成を模式的に示す図
である。上記のように、BP系III−V族化合物半導体
結晶21が主体晶となるように、比較的低温で成膜した
緩衝層2は、その内部の結晶構造を観察すると、図2に
示すように、Si単結晶基板1と緩衝層2との接合界面
4側に単結晶体2mが、またその単結晶体2m上に非晶
質体2nがそれぞれ配置された構成となっている。この
単結晶体2mは、接合界面4から数格子の厚さに相当す
る領域で、プシュードモーヒズム(pseudomor
phism)現象を反映して(橋口隆吉他編著、「薄膜
・表面現象」(材料科学講座6、(株)朝倉書店発
行)、11〜12頁参照)、基板1側のSiの格子定数
を受け継いでなる単結晶層となっており、Si単結晶基
板1との間での格子不整合性をほぼ吸収して上層との連
続性をもたらす役割を果たしている。一方、非晶質体2
nは、微結晶体を含む非晶質体、または、混在物が殆ど
無い略均質な非晶質体となって、後述するように、発光
部3側との格子の不整合性を充分に且つ均等に緩和する
作用を発揮している。FIG. 2 is a diagram schematically showing the structure of the buffer layer. As described above, when the buffer layer 2 formed at a relatively low temperature such that the BP-based III-V compound semiconductor crystal 21 becomes the main crystal, when observing the internal crystal structure, as shown in FIG. A single crystal 2m is arranged on the bonding interface 4 side between the Si single crystal substrate 1 and the buffer layer 2, and an amorphous body 2n is arranged on the single crystal 2m. This single crystal body 2m has a pseudomorphism (pseudomorphism) in a region corresponding to the thickness of several lattices from the junction interface 4.
Inheriting the lattice constant of Si on the substrate 1 side, reflecting the phenomena (see “Thin Film / Surface Phenomena”, edited by Takayoshi Hashiguchi et al., Material Science Course 6, published by Asakura Shoten, pp. 11-12). And plays a role of providing continuity with the upper layer by almost absorbing the lattice mismatch between the single crystal layer and the Si single crystal substrate 1. On the other hand, the amorphous body 2
n is an amorphous body including a microcrystalline body or a substantially homogeneous amorphous body with almost no inclusions, and as described later, sufficiently prevents the lattice mismatch with the light emitting unit 3 side. In addition, it exerts the effect of uniformly relaxing.
【0040】緩衝層2の成長に適する温度範囲は、次の
基準をもって決定できる。先ず、最低温度は、Si単結
晶基板1との接合界面4に僅かながらも単結晶のBP系
III−V族化合物半導体結晶21の存在が認められ、そ
の上部領域が非晶質を主体としてなる構成が出現するし
始める温度である。その温度未満では、この様な構成が
安定して獲得できず、殆どが非晶質体2nで構成される
ものとなる。さらに低温では、非晶質体と云うよりもB
或いはP源の熱分解性の不均衡さにより、未分解の原料
からなる液滴が散在してSi単結晶基板1表面に付着し
たのみの状況となる。上層を連続膜とする役割を担う緩
衝層にあって、この状況は当然のことながら不都合であ
る。The temperature range suitable for growing the buffer layer 2 can be determined based on the following criteria. First, the lowest temperature is a small but single-crystal BP system at the bonding interface 4 with the Si single-crystal substrate 1.
This is the temperature at which the presence of the group III-V compound semiconductor crystal 21 is recognized, and the upper region thereof begins to appear a structure mainly composed of amorphous. If the temperature is lower than this, such a configuration cannot be obtained stably, and most of the configuration is made of the amorphous body 2n. At lower temperatures, B
Alternatively, due to the imbalance in the thermal decomposition properties of the P source, the situation is such that droplets composed of undecomposed raw materials are scattered and adhere to the surface of the Si single crystal substrate 1 only. This situation is, of course, inconvenient for the buffer layer which plays the role of making the upper layer a continuous film.
【0041】逆に、高い成長温度では、島状の単結晶粒
が、Si単結晶基板1表面に対して鉛直(鉛直)方向に
勢いよく成長する。この成長様式に基づき発達した角錐
状の結晶体は、各々が単結晶体であるが、角錐状の結晶
体の配向は画一となっていない。したがって、これらの
角錐状単結晶体がやがて合体してできる膜は多結晶膜と
なる場合が多い。また、膜の表面は、角錐状単結晶体の
錐部から構成されることとなり、鋭利な凹凸状の表面と
なる。或いは、膜の表面に鋭利な針状の結晶(ウィスカ
ー結晶)が乱雑に発生する場合もある。このような、配
向性が乱雑で、表面が高低差の大きな突起状となる緩衝
層上には、配向の画一性に欠ける上層が堆積され、緩衝
層としては適していない。したがって、緩衝層2の成長
温度の上限は、このような角錐上単結晶体の成長が優勢
的に開始される温度として決定される。Conversely, at a high growth temperature, the island-like single crystal grains grow vigorously in the vertical (vertical) direction with respect to the surface of the Si single crystal substrate 1. Each of the pyramidal crystals developed based on this growth mode is a single crystal, but the orientation of the pyramidal crystals is not uniform. Therefore, a film formed by combining these pyramid-shaped single crystals eventually becomes a polycrystalline film in many cases. Further, the surface of the film is composed of pyramids of a pyramidal single crystal, and has a sharp uneven surface. Alternatively, sharp needle-like crystals (whisker crystals) may be randomly generated on the surface of the film. On such a buffer layer in which the orientation is disordered and the surface is in the form of a protrusion having a large difference in height, an upper layer lacking in uniformity of orientation is deposited, and is not suitable as a buffer layer. Therefore, the upper limit of the growth temperature of buffer layer 2 is determined as the temperature at which the growth of such a pyramidal single crystal is predominantly started.
【0042】本発明に係る緩衝層2を得るに適する温度
は、上記の理由からその上限及び下限が決定される。ま
た、その温度は、Si単結晶基板1の面方位に依存して
も変化するし、エピタキシャル成長手段はもとより、成
長反応を実施する成長容器の構成に依っても変化を来
す。さらに、リン(P)源の熱分解性によっても微妙に
変動を来す。これらの状況を鑑みて、総じて好ましい温
度は、250℃以上で600℃以下の範囲にある。The upper limit and the lower limit of the temperature suitable for obtaining the buffer layer 2 according to the present invention are determined for the reasons described above. In addition, the temperature varies depending on the plane orientation of the Si single crystal substrate 1, and varies depending not only on the epitaxial growth means but also on the configuration of the growth vessel for performing the growth reaction. Further, there is a slight variation depending on the thermal decomposability of the phosphorus (P) source. In view of these circumstances, a generally preferable temperature is in a range from 250 ° C. to 600 ° C.
【0043】図3は非晶質体が有する結晶欠陥抑制作用
を説明するための図である。Si単結晶基板1に、BP
系III −V族化合物半導体結晶21を主体晶とする緩衝
層2を形成すると、その緩衝層2の組織構成は、上記し
たように、単結晶体2mと非晶質体2bとから構成され
ている。そして、図3に示すように、Si単結晶基板1
と緩衝層2との接合界面4からは、その両者間の格子不
整合性に起因してミスフィット転位等の結晶欠陥2tが
発生することがある。しかし、この実施形態では、緩衝
層2を低温で成長させ、単結晶体2mの上部領域に非晶
質体2nを形成させるため、結晶欠陥2tは、この非晶
質体2nによってその成長が抑制され、非晶質体2nの
領域にまで伝搬してくる結晶欠陥2tは極少量となる。FIG. 3 is a diagram for explaining the crystal defect suppressing action of the amorphous body. BP is applied to the Si single crystal substrate 1
When the buffer layer 2 having the system III-V compound semiconductor crystal 21 as the main crystal is formed, the structure of the buffer layer 2 is composed of the single crystal body 2m and the amorphous body 2b as described above. I have. Then, as shown in FIG.
A crystal defect 2t such as a misfit dislocation may be generated from a bonding interface 4 between the semiconductor layer and the buffer layer 2 due to lattice mismatch between the two. However, in this embodiment, since the buffer layer 2 is grown at a low temperature and the amorphous body 2n is formed in the upper region of the single crystal body 2m, the growth of the crystal defects 2t is suppressed by the amorphous body 2n. As a result, the crystal defects 2t propagating to the region of the amorphous body 2n are extremely small.
【0044】よって、良好な結晶品質を備えた均質な非
晶質体2nをもって、この領域を構成することができ、
この均質な非晶質体2nは、格子の不整合性を充分に且
つ均等に緩和する作用を発揮することができる。この均
質な非晶質体2nが有する格子の不整合性を緩和する作
用により、非晶質体2n上には、緩衝層2とは格子整合
の関係にはないIII 族窒化物半導体であっても平滑で連
続性を有する結晶層を積層することができる。例えば、
B0.33In0.67P(格子定数=5.43Å)からなる緩
衝層上には、発光部の下部クラッド層として窒化ガリウ
ム結晶層を積層させてもよい。立方晶の窒化ガリウム
(GaN)の格子定数は4.51Åであって、B0.33I
n0.67P緩衝層とは、格子整合の関係にはないが、この
場合でも、連続性のある平滑な結晶層をもたらすことが
できる。また、その良好な結晶品質と均質性のゆえに緩
衝層2上に、画一化された結晶配向性を有するIII 族窒
化物半導体を積層させることができる。Therefore, this region can be constituted by a homogeneous amorphous body 2n having good crystal quality,
The homogeneous amorphous body 2n can exert an action of sufficiently and uniformly relaxing lattice mismatch. Due to the action of relaxing the lattice mismatching of the homogeneous amorphous body 2n, a group III nitride semiconductor having no lattice matching relationship with the buffer layer 2 is formed on the amorphous body 2n. Also, a crystal layer having smoothness and continuity can be laminated. For example,
A gallium nitride crystal layer may be laminated as a lower cladding layer of the light emitting portion on the buffer layer made of B 0.33 In 0.67 P (lattice constant = 5.43 °). The lattice constant of cubic gallium nitride (GaN) is 4.51 ° and B 0.33 I
Although there is no lattice matching relationship with the n 0.67 P buffer layer, even in this case, a continuous and smooth crystal layer can be provided. Further, a group III nitride semiconductor having a uniform crystal orientation can be laminated on the buffer layer 2 because of its good crystal quality and homogeneity.
【0045】そして、BP系III −V族化合物半導体結
晶21を、上記した3元混晶のうち、B0.02Ga0.98P
3元混晶或いはB0.33In0.67P3元混晶から構成した
場合は、Si単結晶基板1との接合界面4近傍の領域を
Siに完全に格子整合する単結晶体から構成することが
でき、さらにこのような単結晶体領域の存在は、その上
方の領域を均質な非晶質体とするに充分な効果を発揮す
る。非晶質体の下方に在る領域が格子整合系から成って
いるために、その上方の非晶質体は、結晶欠陥密度の低
いより一層均質なものとなり、したがって、緩衝層上に
連続性のある平滑な成長層の成膜をより一層確実なもの
とすることができる。Then, the BP III-V compound semiconductor crystal 21 is made of B 0.02 Ga 0.98 P
In the case of a ternary mixed crystal or a B 0.33 In 0.67 P ternary mixed crystal, a region near the bonding interface 4 with the Si single crystal substrate 1 can be formed of a single crystal that completely lattice matches with Si, Further, the existence of such a single crystal region has a sufficient effect to make the region above it a homogeneous amorphous body. Because the region below the amorphous body consists of a lattice-matched system, the amorphous body above it is more homogeneous with a lower density of crystal defects, and therefore has a continuity on the buffer layer. It is possible to more reliably form a smooth growth layer having a certain thickness.
【0046】図4は本発明に係る緩衝層上に積層したB
P薄膜層のX線回折スペクトルを示す図である。Si単
結晶基板1の(001)結晶面上にBPを主体晶とする
緩衝層2を形成し、その緩衝層2の表面上に、BP薄膜
を1030℃で成膜し、そのBP薄膜のX線回折スペク
トラルを観察した。なお、このBPを主体晶とする緩衝
層は、PCl3をリン源とし、BCl3を硼素源とするハ
ライドVPE法を用いて、350℃で成膜した。このと
きのBP膜のX線回折スペクトルには、図4に示すよう
に、Si単結晶基板1の(004)結晶面からの回折ピ
ーク(111)が出現し、また、当該BP膜の(20
0)結晶面からの回折ピーク(116)及び(220)
結晶面からの回折ピーク(117))が認められる。一
方、B13P 2 からの回折ピーク(図14参照)は消失し
ている。FIG. 4 shows the structure of B laminated on the buffer layer according to the present invention.
It is a figure which shows the X-ray diffraction spectrum of a P thin film layer. Simple Si
BP as the main crystal on the (001) crystal plane of crystal substrate 1
A buffer layer 2 is formed, and a BP thin film is formed on the surface of the buffer layer 2.
Was formed at 1030 ° C, and the BP thin film was analyzed by X-ray diffraction.
Tral was observed. In addition, a buffer having this BP as a main crystal
The layer is PClThreeWith a phosphorus source and BClThreeWith boron source
The film was formed at 350 ° C. using the Ride VPE method. This and
As shown in FIG. 4, the X-ray diffraction spectrum of the BP film
The diffraction peak from the (004) crystal plane of the Si single crystal substrate 1
(111) appears, and (20) of the BP film
0) Diffraction peaks (116) and (220) from crystal plane
A diffraction peak (117) from the crystal plane is observed. one
One, B13P TwoThe diffraction peak from (see FIG. 14) disappeared.
ing.
【0047】すなわち、この緩衝層2は、立方晶である
BPを主体晶としているため、その上に積層させたBP
薄膜も同じく立方晶からなるBP薄膜となる。このこと
は、主体晶であるBP系III −V族化合物半導体結晶が
立方晶である緩衝層2は、その緩衝層上に積層させるII
I 族窒化物半導体結晶層をも立方晶系とするのに多大な
効果を奏するものであることを示している。That is, since the buffer layer 2 is mainly composed of cubic BP, the BP
The thin film is also a BP thin film made of a cubic crystal. This means that the buffer layer 2 in which the BP-based III-V compound semiconductor crystal as the main crystal is cubic is laminated on the buffer layer II.
This shows that a great effect can be obtained in making the group I nitride semiconductor crystal layer also a cubic system.
【0048】また、図4のX線回折の結果からは、緩衝
層2の上部領域が非晶質層となっているため、BP薄膜
の結晶配向性が画一化されていることも充分に推し量る
ことができ、このことは、上記したように、本発明に係
る緩衝層2上には、結晶配向性が画一化されたIII 族窒
化物半導体結晶を積層させることができることを示して
いる。Further, from the result of the X-ray diffraction shown in FIG. 4, it is sufficiently understood that the crystal orientation of the BP thin film is uniform since the upper region of the buffer layer 2 is an amorphous layer. This indicates that a group III nitride semiconductor crystal having a uniform crystal orientation can be stacked on the buffer layer 2 according to the present invention, as described above. .
【0049】なお、上記の図4及び図14の例からは、
緩衝層2が、BP等のBP系III −V族化合物半導体結
晶と、B13P2 で代表される硼素多原子リン化硼素結晶
との何れが主体晶として形成されているか、またその主
体晶と従属晶との量的関係はどのようになっているか等
は、その上に積層させた薄膜のX線回折分析の結果から
明白となることも分かる。It should be noted that from the examples of FIGS. 4 and 14 described above,
Whether the buffer layer 2 is made of a BP-based III-V compound semiconductor crystal such as BP or a boron polyatomic boron phosphide crystal represented by B 13 P 2 as a main crystal, and the main crystal It can also be seen that the quantitative relationship between and the dependent crystal is clear from the result of X-ray diffraction analysis of the thin film laminated thereon.
【0050】図5及び図6はこの発明の第2の実施形態
を示す図である。この実施形態では、緩衝層を重層構成
とした点が上記第1の実施形態と相違している。この重
層構成は、格子定数を互いに異にする結晶層を重層させ
て歪超格子構造としたものである。FIGS. 5 and 6 are views showing a second embodiment of the present invention. This embodiment is different from the first embodiment in that the buffer layer has a multilayer structure. In this multilayer structure, crystal layers having different lattice constants are stacked to form a strained superlattice structure.
【0051】すなわち、図5に示すIII 族窒化物半導体
発光素子10aにおける緩衝層2aは、格子定数が互い
に異なるBXGa1-XP混晶を重層させたものであり、基
板側のSiの格子定数d(=4.531Å)を中心とし
て、その格子定数dよりΔaÅ大きな格子定数を持つB
X1Ga1-X1P混晶層(格子定数(Å)=d+Δa)を第
1層20aとし、格子定数dよりΔaÅ小さな格子定数
を持つBX2Ga1-X2P混晶層(格子定数(Å)=d−Δ
a)を第2層21aとし、この第1層20aと第2層2
1aとを交互に重層して構成している。具体例として
は、Siに格子整合するBXGa1-XP混晶の硼素組成比
Xが0.02であることから、この硼素組成比X=0.
02を中心として、+0.02及び−0.02とするB
0.04Ga0. 96P混晶及びGaPを組み合わせた重層構成
である。また、硼素組成比X=0.02を中心として、
+0.01及び−0.01とするB0.03Ga0.97P混晶
及びB0.01Ga0.99P混晶を組み合わせた重層構成であ
る。このように、重層構成とする場合は、硼素組成比
は、基準となる値(中心値)に対して等量をもって増減
させるのが好ましく、それは、Vegard則が教示す
る如く、Siの格子定数を基準として、大小方向への格
子定数の変位量を等量とすることで、格子の不整合性を
充分に緩和させる作用を発揮するためである。That is, the buffer layer 2a in the group III nitride semiconductor light emitting device 10a shown in FIG. 5 is formed by layering B x Ga 1 -XP mixed crystals having different lattice constants from each other. B having a lattice constant ΔaÅ larger than the lattice constant d around the lattice constant d (= 4.531 °)
X1 Ga 1-X1 P mixed crystal layer (lattice constant (Å) = d + Δa) of the first layer 20a, B X2 Ga 1-X2 P mixed crystal layer having ΔaÅ a smaller lattice constant than the lattice constant d (lattice constant (Å ) = D−Δ
a) is a second layer 21a, and the first layer 20a and the second layer 2a
1a are alternately layered. As a specific example, since the boron composition ratio X of the B x Ga 1-x P mixed crystal lattice-matched to Si is 0.02, this boron composition ratio X = 0.
B with +0.02 and -0.02 around 02
0.04 is a multilayer structure that combines Ga 0. 96 P mixed crystal and GaP. Further, with the boron composition ratio X = 0.02 as the center,
The multilayer structure is a combination of a B 0.03 Ga 0.97 P mixed crystal and a B 0.01 Ga 0.99 P mixed crystal with +0.01 and −0.01. As described above, in the case of a multilayer structure, it is preferable that the boron composition ratio is increased and decreased by an equal amount with respect to a reference value (center value), and as is taught by Vegard's law, the lattice constant of Si is changed. This is because, as a criterion, by making the amount of displacement of the lattice constant in the large and small directions equal, an effect of sufficiently relaxing lattice mismatch can be exerted.
【0052】そして、BXGa1-XP混晶の場合、大小両
方向に変位させられる最大の量は、硼素組成比X≧0の
条件を考え合わせると、Siに一致する格子定数を与え
る硼素組成比である0.02を基準として±0.02で
ある。したがって、BXGa1 -XP混晶において、硼素組
成比Xが取り得る範囲は、0≦X≦0.04である。ま
た、上記の第1層20aと第2層21aとの積層順番及
びその層数については任意に設定することができる。た
だし、X=0の場合のGaPをSi単結晶基板1に直接
積層させることは回避する。それは、Si単結晶基板1
上に、GaPの平坦で連続した良好な膜を成長させるの
は困難で、これに対し、BP系はSi単結晶基板1とは
相性がよく良好な膜として成長できるからである。In the case of the B x Ga 1 -X P mixed crystal, the maximum amount of displacement in both the large and small directions is boron, which gives a lattice constant matching that of Si, considering the condition of boron composition ratio X ≧ 0. It is ± 0.02 based on the composition ratio 0.02. Therefore, in the B X Ga 1 -X P mixed crystal, the possible range of the boron composition ratio X is 0 ≦ X ≦ 0.04. The order of lamination of the first layer 20a and the second layer 21a and the number of layers can be arbitrarily set. However, it is avoided that GaP when X = 0 is directly laminated on the Si single crystal substrate 1. It is the Si single crystal substrate 1
On the other hand, it is difficult to grow a flat and continuous good film of GaP, while the BP-based film is compatible with the Si single crystal substrate 1 and can be grown as a good film.
【0053】図6に示すIII 族窒化物半導体発光素子1
0bにおける緩衝層2bは、格子定数が互いに異なるB
YIn1-YP混晶を重層させたものであり、上記図5の場
合と同様に、基板側のSiの格子定数d(=4.531
Å)を中心として、その格子定数dよりΔbÅ大きな格
子定数を持つBY1In1-Y1P混晶層を第1層20bと
し、格子定数dよりΔbÅ小さな格子定数を持つBY2I
n1-Y2P混晶層を第2層21bとし、この第1層20b
と第2層21bとを交互に重層して構成している。そし
て、Siに格子整合するBYIn1-YP混晶の硼素組成比
Yが0.33であることから、この硼素組成比Y=0.
33を中心としてYを大小双方向に等量に変位させて構
成する。Group III nitride semiconductor light emitting device 1 shown in FIG.
The buffer layer 2b at 0b has a lattice constant different from that of B
This is a layer in which Y In 1 -Y P mixed crystals are layered. Similar to the case of FIG. 5, the lattice constant d of Si on the substrate side (= 4.531)
Å), the first layer 20b is a B Y1 In 1-Y1 P mixed crystal layer having a lattice constant ΔbÅ larger than the lattice constant d, and B Y2 I having a lattice constant ΔbÅ smaller than the lattice constant d.
The n 1 -Y2 P mixed crystal layer is referred to as a second layer 21b, and the first layer 20b
And the second layer 21b are alternately layered. Since the boron composition ratio Y of the B Y In 1-Y P mixed crystal lattice-matched to Si is 0.33, this boron composition ratio Y = 0.
It is configured such that Y is displaced equally in two directions, large and small, about the center 33.
【0054】このBYIn1-YP混晶の場合、大小両方向
に変位させられる最大の量は、硼素組成比Y≧0の条件
を考え合わせると、Siに一致する格子定数を与える硼
素組成比である0.33を基準として±0.33であ
る。したがって、BYIn1-YP混晶において、硼素組成
比Yが取り得る範囲は、0≦Y≦0.66である。ま
た、上記図5の場合と同様に、第1層20bと第2層2
1bとの積層順番及びその層数については任意に設定す
ることができる。In the case of this B Y In 1-Y P mixed crystal, the maximum amount displaced in both the large and small directions is, considering the condition of the boron composition ratio Y ≧ 0, the boron composition which gives a lattice constant matching that of Si. It is ± 0.33 based on the ratio 0.33. Therefore, in the B Y In 1-Y P mixed crystal, the range in which the boron composition ratio Y can be taken is 0 ≦ Y ≦ 0.66. Further, as in the case of FIG. 5, the first layer 20b and the second layer 2
The order of lamination with 1b and the number of layers can be arbitrarily set.
【0055】図7はこの発明の第3の実施形態を示す図
である。この実施形態では、緩衝層2と発光部3との間
に介在層9を設けた点が、上記第1の実施形態と相違し
ている。この介在層9は、緩衝層2と発光部3の下部ク
ラッド層との格子整合をより確実なものとするためのも
のであり、緩衝層2が600℃以下の比較的低温で形成
されるのに対し、それよりも高温の例えば900℃前後
で形成される。介在層9を構成するのに適する材料に
は、取り得る格子定数の範囲が3.62Å以上で4.5
4Å以下である窒化リン化硼素(BP1-ZNZ:0≦Z≦
1)混晶がある。窒素組成比Z如何に依って、下部クラ
ッド層を構成するに好適な窒化アルミニウム・ガリウム
混晶(AlAGaBN:0≦A、B≦1、A+B=1)に
格子整合する結晶層を供給できるからである。例えば、
窒素組成比を0.03とするBP0. 97N0.03混晶は、立
方晶のGaN(格子定数=4.51Å)に格子整合し、
窒素組成比を0.17とするBP0.83N0.17混晶は、立
方晶のAlN(格子定数=4.38Å)に格子整合す
る。FIG. 7 is a diagram showing a third embodiment of the present invention. This embodiment is different from the first embodiment in that an intervening layer 9 is provided between the buffer layer 2 and the light emitting section 3. This intervening layer 9 is for ensuring the lattice matching between the buffer layer 2 and the lower cladding layer of the light emitting section 3. The buffer layer 2 is formed at a relatively low temperature of 600 ° C. or less. On the other hand, it is formed at a higher temperature, for example, around 900 ° C. Materials suitable for forming the intervening layer 9 include a range of possible lattice constants of 3.62 ° or more and 4.5 or more.
Boron phosphide nitride of 4 ° or less (BP 1 -ZN Z : 0 ≦ Z ≦
1) There is a mixed crystal. Depending on the nitrogen composition ratio Z, a crystal layer lattice-matched to an aluminum-gallium nitride mixed crystal (Al A Ga B N: 0 ≦ A, B ≦ 1, A + B = 1) suitable for forming the lower cladding layer is formed. This is because they can be supplied. For example,
BP 0. 97 N 0.03 mixed crystal nitrogen composition ratio of 0.03 is lattice matched to the cubic GaN (lattice constant = 4.51Å),
A BP 0.83 N 0.17 mixed crystal with a nitrogen composition ratio of 0.17 is lattice-matched to cubic AlN (lattice constant = 4.38 °).
【0056】また、下部クラッド層との格子整合性か
ら、リン化硼素(BP)やリン化硼素・ガリウム(BG
aP)も介在層9を構成するのに適した材料である。Also, from the lattice matching with the lower cladding layer, boron phosphide (BP) or boron phosphide / gallium (BG)
aP) is also a material suitable for forming the intervening layer 9.
【0057】さらに、窒化砒化硼素(BAs1-WNW:0
≦W≦1)混晶も、介在層9を構成するのに適した材料
である。砒化硼素(BAs:格子定数=4.78Å)と
窒化硼素(BN:格子定数=3.62Å)とからなる3
元混晶であるBAs1-WNWから介在層9を形成すること
により、この介在層9の取り得る格子定数の範囲は3.
62Å以上で4.78Å以下となり、上記の窒化リン化
硼素BP1-ZNZでは格子整合とはならなかったIII 族窒
化物半導体結晶とも格子整合させることができ、格子整
合を果たせるIII 族窒化物半導体結晶の種類を増すこと
ができる。例えば、砒素組成比を0.81とするBAs
0.81N0.19は、上記のBP1-ZNZ混晶では達成できな
い、例えば、インジウム組成比を10%とするGa0.90
In0.10N(格子定数=4.56Å)と格子整合を果た
すことができる。Further, boron arsenide (BAs 1-W N W : 0)
≦ W ≦ 1) A mixed crystal is also a material suitable for forming the intervening layer 9. 3 composed of boron arsenide (BAs: lattice constant = 4.78 °) and boron nitride (BN: lattice constant = 3.62 °)
By forming the intermediate layer 9 from BAs 1-W N W is the original mixed crystal, the range of possible lattice constant of the intermediate layer 9 is 3.
It is 62 ° or more and 4.78 ° or less, and can be lattice-matched with a group III nitride semiconductor crystal that did not have lattice matching with the above-mentioned boron nitrided phosphide BP 1 -ZN Z , so that the group III nitride having lattice matching can be achieved. Kinds of semiconductor crystals can be increased. For example, BAs having an arsenic composition ratio of 0.81
0.81 N 0.19 cannot be achieved by the above BP 1 -ZN Z mixed crystal. For example, Ga 0.90 with an indium composition ratio of 10% is used.
Lattice matching can be achieved with In 0.10 N (lattice constant = 4.56 °).
【0058】介在層9は、上記のように単一の組成で形
成してもよいし、また、組成に勾配を付け、緩衝層2と
の接合界面側では緩衝層2に格子整合する組成とし、下
部クラッド層との接合界面側では下部クラッド層に格子
整合する組成とするように形成してもよい。The intervening layer 9 may be formed with a single composition as described above, or a composition may be provided with a gradient, and a composition that lattice-matches with the buffer layer 2 on the bonding interface side with the buffer layer 2. Alternatively, the composition may be formed so as to have a composition lattice-matched to the lower cladding layer on the bonding interface side with the lower cladding layer.
【0059】上記の各実施形態では、導電性のSi単結
晶基板1上に、導電性結晶層からなる発光部3を設ける
都合上、緩衝層2にも導電性を付すのが好ましい。緩衝
層2に伝導性を付帯するには、その成膜時に不純物をド
ーピング(doping)すればよい。元素周期律表の
第IV族に属するSiや錫Sn、第VI族のセレンSeや硫
黄Sなどのn形不純物のドーピングによりn形の緩衝層
2を形成でき、第II族の亜鉛Zn、ベリリウムBeやマ
グネシウムMg、第IV族の炭素Cなどのp形不純物のド
ーピングによりp形の緩衝層2をもたらすことができ
る。In each of the above embodiments, it is preferable that the buffer layer 2 is also made conductive because the light emitting portion 3 made of a conductive crystal layer is provided on the conductive Si single crystal substrate 1. In order to add conductivity to the buffer layer 2, doping may be performed at the time of film formation. The n-type buffer layer 2 can be formed by doping n-type impurities such as Si and tin Sn belonging to group IV of the periodic table and selenium Se and sulfur S of group VI, and zinc Zn, beryllium of group II A p-type buffer layer 2 can be provided by doping with a p-type impurity such as Be, magnesium Mg, or group IV carbon C.
【0060】緩衝層2の厚さは数μm未満で、特に50
0Å以下とするのが望ましい。Si単結晶基板1との接
合界面4の領域において、最低限、数原子層程度の厚さ
があれば緩衝層としての機能は充分に発揮することがで
きる。The thickness of the buffer layer 2 is less than a few μm, especially 50 μm.
It is desirable that the angle be 0 ° or less. In the region of the bonding interface 4 with the Si single crystal substrate 1, a function as a buffer layer can be sufficiently exhibited if the thickness is at least about several atomic layers.
【0061】また、上記の各実施形態では、Si単結晶
基板1の緩衝層2側とは反対側の一表面上には、オーミ
ック性電極を敷設する。p形のSi単結晶にはp形オー
ミック電極を、またn形のSi単結晶にはn形オーミッ
ク電極をそれぞれ設ける。これらの電極は、アルミニウ
ムなどの周知のオーミック性電極材料から構成する。こ
のように、基板1に導電性のSi結晶を利用している利
点を生かして、Si単結晶基板1に正・負何れかのオー
ミック電極を配置し、LEDやLD等の発光素子を形成
できる。従来の、絶縁性のサファイアを基板とする積層
構造体のように、同一表面側に2つのオーミック電極を
敷設する必要がなく、このため、p形及びn形両電極を
形成するために発光面積(pn接合面積)を徒に削除す
る必要もなくなる。したがって、発光面積の削減を回避
でき、同一のチップサイズにおいて発光面積をより大と
する発光素子をもたらすことができる。In each of the above embodiments, an ohmic electrode is laid on one surface of the Si single crystal substrate 1 opposite to the buffer layer 2 side. A p-type Si single crystal is provided with a p-type ohmic electrode, and an n-type Si single crystal is provided with an n-type ohmic electrode. These electrodes are made of a known ohmic electrode material such as aluminum. As described above, by utilizing the advantage of using the conductive Si crystal for the substrate 1, a positive or negative ohmic electrode can be arranged on the Si single crystal substrate 1 to form a light emitting element such as an LED or an LD. . Unlike a conventional laminated structure using insulating sapphire as a substrate, there is no need to lay two ohmic electrodes on the same surface side. Therefore, the light emitting area is required to form both p-type and n-type electrodes. It is not necessary to delete (pn junction area). Therefore, a reduction in the light emitting area can be avoided, and a light emitting element having a larger light emitting area with the same chip size can be provided.
【0062】また、[011]結晶方向に明瞭な劈開性
を有するダイヤモンド結晶型のSiを基板1として用い
ているので、このSi単結晶基板1上に形成した上記積
層構造体からLDを構成する場合には、その劈開性によ
って{011}面からなる光共振面を容易に形成するこ
とができる。Further, since diamond crystal type Si having clear cleavage in the [011] crystal direction is used as the substrate 1, an LD is formed from the laminated structure formed on the Si single crystal substrate 1. In such a case, the optical resonance surface composed of the {011} plane can be easily formed by its cleavage.
【0063】以上述べたように、この発明に係る実施形
態では、Si単結晶基板1上の緩衝層2を、BP系III
−V族化合物半導体結晶21が主体晶で、硼素元素とリ
ン元素との構成割合を6対1以上とする硼素多原子リン
化硼素結晶(BxPY:X≧6、0<Y≦2)22が従属
晶となるように形成し、この緩衝層2上にIII 族窒化物
半導体からなる発光部3を積層した。緩衝層2は、立方
晶のBP系III −V族化合物半導体結晶21を主体晶と
しているので、その上層の発光部3も立方晶として形成
することができ、したがって、III 族窒化物半導体発光
素子において、基板1に導電性で立方晶のSi単結晶を
用いたことにより発揮される諸効果、すなわち、発光面
積をより広く確保できる、LDにおける光共振面を容易
に形成できる、さらにはpn接合型の発光部3を構成す
る低抵抗のp形伝導層を容易に形成できる、といった諸
効果を充分に表すことができる。As described above, in the embodiment according to the present invention, the buffer layer 2 on the Si single crystal substrate 1 is
A boron polyatomic boron phosphide crystal (B x P Y : X ≧ 6, 0 <Y ≦ 2) in which the group-V compound semiconductor crystal 21 is the main crystal and the composition ratio of the boron element and the phosphorus element is 6: 1 or more. ) 22 was formed so as to be a subordinate crystal, and a light emitting portion 3 made of a group III nitride semiconductor was laminated on the buffer layer 2. Since buffer layer 2 is mainly composed of cubic BP-based III-V compound semiconductor crystal 21, light-emitting portion 3 in the upper layer can be formed as a cubic crystal. Therefore, group III nitride semiconductor light-emitting device In the above, various effects exhibited by using a conductive cubic Si single crystal for the substrate 1, that is, a wider light emitting area can be secured, an optical resonance surface in an LD can be easily formed, and further, a pn junction Various effects such as a low-resistance p-type conductive layer constituting the light-emitting portion 3 of the mold can be easily formed.
【0064】また、この緩衝層2はその組織構成の観点
から見て、Si単結晶基板1との接合界面4側で単結晶
体2m、その上層側で非晶質体2nとなるようにしたの
で、接合界面4側での単結晶体2mは、Si単結晶基板
1との間での格子不整合性をほぼ吸収して上層との連続
性をもたらすとともに、非晶質体2nはその均質性のゆ
えに、発光部3側との格子の不整合性を充分に且つ均等
に緩和する作用を発揮し、緩衝層2とは格子整合の関係
にはないIII 族窒化物半導体であっても平滑で連続性を
有する結晶層を積層することができる。また、非晶質体
2nの良好な結晶品質と均質性のゆえに、緩衝層2上
に、画一化された結晶配向性を有するIII族窒化物半導
体を積層させることができる。In view of the structure of the buffer layer 2, the single crystal 2m is formed on the bonding interface 4 side with the Si single crystal substrate 1 and the amorphous body 2n is formed on the upper layer. Therefore, the single-crystal body 2m on the bonding interface 4 side substantially absorbs the lattice mismatch between the single-crystal body 1 and the Si single-crystal substrate 1 to provide continuity with the upper layer. Therefore, the buffer layer 2 has a function of sufficiently and evenly mitigating the lattice mismatch with the light emitting portion 3 side, so that even a group III nitride semiconductor having no lattice matching relationship with the buffer layer 2 can be smoothed. Thus, a crystal layer having continuity can be laminated. In addition, because of the good crystal quality and homogeneity of the amorphous body 2n, a group III nitride semiconductor having a uniform crystal orientation can be stacked on the buffer layer 2.
【0065】さらに、従属晶の硼素多原子リン化硼素結
晶22が緩衝層2全体の10%以下となるようにしたの
で、六方晶系結晶の影響は発光部3にはほとんど及ば
ず、発光部3をより一層良好に立方晶として構成するこ
とができる。Further, since the subordinate boron polyatomic boron phosphide crystal 22 accounts for 10% or less of the entire buffer layer 2, the influence of the hexagonal crystal hardly affects the light emitting portion 3, but the light emitting portion 3 3 can be more preferably configured as a cubic crystal.
【0066】また、主体晶のBP系III −V族化合物半
導体結晶21をリン化硼素・ガリウム混晶、あるいはリ
ン化硼素・インジウム混晶で形成するようにしたので、
基板1のSiとの完全な格子整合を実現させることがで
き、したがって、この緩衝層2上に積層させる成長層を
より一層平滑で連続なものとなすことができる。Since the main crystal BP-based III-V compound semiconductor crystal 21 is formed of a mixed crystal of boron phosphide / gallium or a mixed crystal of boron phosphide / indium,
Perfect lattice matching with Si of the substrate 1 can be realized, and therefore, the growth layer laminated on the buffer layer 2 can be made smoother and more continuous.
【0067】また、緩衝層2を、異なる組成の主体晶を
重層させて形成したので、歪超格子の作用でSi単結晶
基板1との格子整合を実現でき、単層の場合と同様に、
緩衝層としての役割を果たさせることができる。Further, since the buffer layer 2 is formed by superposing the main crystals having different compositions, lattice matching with the Si single crystal substrate 1 can be realized by the action of the strained superlattice.
It can serve as a buffer layer.
【0068】さらに、緩衝層2と発光部3との間に介在
層9を設けるようにしたので、発光部3側との格子整合
性をより一層完全なものとすることができ、発光部3の
結晶構造を結晶欠陥のないより完全なものとするのに寄
与することができる。Further, since the intervening layer 9 is provided between the buffer layer 2 and the light emitting section 3, the lattice matching with the light emitting section 3 side can be made more complete, and Can be made more complete without crystal defects.
【0069】次に、本発明のIII 族窒化物半導体発光素
子について、より具体的な実施例を以て説明する。Next, the group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention will be described with reference to more specific examples.
【0070】[0070]
【実施例】(第1実施例)図8は本発明の第1実施例に
係るLEDの断面構造を示す図である。本実施例では、
硼素(B)をドーピングしたp形の(001)−Si単
結晶基板101上に、リン化硼素・ガリウム混晶から成
る緩衝層102を備えた積層構造体を形成し、その積層
構造体から短波長可視光を出力するIII 族窒化物半導体
発光素子(LED)100を構成した。FIG. 8 is a diagram showing a cross-sectional structure of an LED according to a first embodiment of the present invention. In this embodiment,
On a p-type (001) -Si single crystal substrate 101 doped with boron (B), a laminated structure including a buffer layer 102 made of a mixed crystal of boron phosphide and gallium is formed. A group III nitride semiconductor light emitting device (LED) 100 that outputs visible light of a wavelength was configured.
【0071】緩衝層102は、亜鉛(Zn)をドーピン
グしたp形BGaP混晶層とした。同混晶層は、Siに
一致する格子定数(5.431Å)を与える硼素組成比
を0.02とするB0.02Ga0.98P混晶から構成した。
層厚を150ÅとするBGaP緩衝層102は、ジボラ
ン(B2H6)/トリメチルガリウム((CH3)3Ga)
/ホスフィン(PH3 )/水素成長反応系を利用した減
圧MOCVD法で成長させた。Si単結晶基板101と
の接合界面近傍の領域を主に単結晶で構成するために、
380℃の低温で成膜した。Znのドーピング源には、
ジエチル亜鉛((C2H5)2Zn)(100体積pp
m)−水素(H2)を使用した。The buffer layer 102 was a p-type BGaP mixed crystal layer doped with zinc (Zn). The mixed crystal layer was composed of a B 0.02 Ga 0.98 P mixed crystal having a boron composition ratio of 0.02 which gives a lattice constant (5.431 °) corresponding to Si.
The BGaP buffer layer 102 having a thickness of 150 ° is made of diborane (B 2 H 6 ) / trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga).
It was grown by a reduced pressure MOCVD method using a / phosphine (PH 3 ) / hydrogen growth reaction system. In order to mainly configure the region near the bonding interface with the Si single crystal substrate 101 with a single crystal,
The film was formed at a low temperature of 380 ° C. Zn doping sources include:
Diethyl zinc ((C 2 H 5 ) 2 Zn) (100 volume pp
m) - Using hydrogen (H 2).
【0072】Si単結晶基板101とB0.02Ga0.98P
緩衝層102との接合界面104から約30Åの領域は
主に単結晶からなる単結晶体領域102mとした。その
上方の約120Åに亘る領域は非晶質体から主に構成さ
れる非晶質体領域102nとした。Si single crystal substrate 101 and B 0.02 Ga 0.98 P
A region approximately 30 ° from the junction interface 104 with the buffer layer 102 was a single crystal region 102m mainly composed of a single crystal. The region extending over about 120 ° is an amorphous body region 102n mainly composed of an amorphous body.
【0073】B0.02Ga0.98P緩衝層102上には、M
gドープp形Al0.10Ga0.90N混晶層(層厚=0.7
5μm、キャリア濃度=2.0×1017cm-3)からな
る下部クラッド層103a、Siドープn形Ga0.90I
n0.10N(層厚=0.10μm、キャリア濃度=1.5
×1018cm-3)からなる発光層103b、及びn形G
aN(層厚=3.0μm、キャリア濃度=3.5×10
18cm-3)からなる上部クラッド層103cを順次積層
して、pn接合型DH構造の発光部103を重層した。
上部クラッド層103c上のコンタクト層106は、M
gドープp形GaN層から構成した。On the B 0.02 Ga 0.98 P buffer layer 102, M
g-doped p-type Al 0.10 Ga 0.90 N mixed crystal layer (layer thickness = 0.7
5 μm, lower cladding layer 103 a of carrier concentration = 2.0 × 10 17 cm −3 ), Si-doped n-type Ga 0.90 I
n 0.10 N (layer thickness = 0.10 μm, carrier concentration = 1.5
× 10 18 cm −3 ) light-emitting layer 103b and n-type G
aN (layer thickness = 3.0 μm, carrier concentration = 3.5 × 10
An upper cladding layer 103c having a thickness of 18 cm -3 ) was sequentially laminated, and a light emitting portion 103 having a pn junction type DH structure was overlaid.
The contact layer 106 on the upper cladding layer 103c
It consisted of a g-doped p-type GaN layer.
【0074】当該LED100を構成した後に緩衝層1
02の組成をX線回折法で解析した結果、緩衝層102
を構成するB0.02Ga0.98P混晶層からは、B13P2 に
代表される硼素多原子リン化硼素結晶の量は、X線回折
ピークを発生させない程、微量(1%未満)であるのが
確認された。After constructing the LED 100, the buffer layer 1
X-ray diffraction analysis of the composition of the buffer layer 102
The amount of the boron polyatomic boron phosphide crystal represented by B 13 P 2 is very small (less than 1%) from the B 0.02 Ga 0.98 P mixed crystal layer that constitutes Was confirmed.
【0075】また、基板101のSiと格子整合をなす
材料から緩衝層102を構成しているため、その上層
は、何れも特に連続性に優れ、且つ立方晶の結晶形態を
呈するものとなった。断面TEM法に依る結晶欠陥の観
察では、緩衝層102は、上部の発光部103に伝搬す
るミスフィット転位等の密度を小さく抑制するのに効果
を奏するのが認められた。Si単結晶基板101と緩衝
層102との接合界面104近傍の領域から、発光部1
03を構成する下部クラッド層103aへと貫通する転
位の密度は、従来のサファイア基板/III 族窒化物半導
体緩衝層における積層系に比較して、桁違いの104c
m-2から105cm-2と顕著に削減されたものとなっ
た。Further, since the buffer layer 102 is made of a material that is lattice-matched with Si of the substrate 101, each of the upper layers has particularly excellent continuity and exhibits a cubic crystal form. . Observation of crystal defects by the cross-sectional TEM method showed that the buffer layer 102 was effective in reducing the density of misfit dislocations and the like that propagate to the upper light emitting portion 103. The light emitting section 1 is formed from a region near the bonding interface 104 between the Si single crystal substrate 101 and the buffer layer 102.
The density of dislocations penetrating into the lower cladding layer 103a constituting the layer No. 03 is 10 4 c higher than that of the conventional sapphire substrate / group III nitride semiconductor buffer layer lamination system.
It was remarkably reduced from m −2 to 10 5 cm −2 .
【0076】p形導電性のSi基板101の裏面に正の
オーミック電極107を、またコンタクト層106の表
面に直径を約110μmとする負のオーミック電極10
8を設けてLED100を構成した。このLED100
に順方向に動作電流を流通させ青色発光を得た。順方向
電流を20mAとした際の発光波長は約430nmで、
発光スペクトルの半値幅約14nmであった。一般の積
分球を利用して測光されるチップ状態での発光強度は1
6マイクロワット(μW)となった。順方向電圧(V
f)は、約2.7Vであり、逆方向電圧(Vr)は、1
5V以上と優れたものとなり、良好なpn接合特性が顕
現されているのが認められた。A positive ohmic electrode 107 is formed on the back surface of the p-type conductive Si substrate 101, and a negative ohmic electrode 10 having a diameter of about 110 μm is formed on the surface of the contact layer 106.
8 were provided to configure the LED 100. This LED 100
An operating current was passed in the forward direction to emit blue light. When the forward current is 20 mA, the emission wavelength is about 430 nm.
The half width of the emission spectrum was about 14 nm. The light emission intensity in the chip state measured using a general integrating sphere is 1
6 microwatts (μW). Forward voltage (V
f) is about 2.7 V and the reverse voltage (Vr) is 1
It was as excellent as 5 V or more, and it was recognized that good pn junction characteristics were manifested.
【0077】(第2実施例)図9は本発明の第2実施例
に係るLEDの断面構造を示す図である。本実施例で
は、緩衝層202の構成材料を、第1実施例に記載のB
0.02Ga0.98P混晶からB0.33In0.67P混晶に変更し
て、LED200を構成した。(Second Embodiment) FIG. 9 is a view showing a sectional structure of an LED according to a second embodiment of the present invention. In the present embodiment, the constituent material of the buffer layer 202 is the B material described in the first embodiment.
The LED 200 was constructed by changing from 0.02 Ga 0.98 P mixed crystal to B 0.33 In 0.67 P mixed crystal.
【0078】緩衝層202は、亜鉛(Zn)をドーピン
グしたp形B0.33In0.67P混晶層から構成した。層厚
を150ÅとするBInP緩衝層102は、ジボラン
(B2H6)/ホスフィン(PH3)/水素成長反応系を
利用した一般的な常圧MOCVD法により450℃で成
膜した。Znのドーピング源には、ジエチル亜鉛((C
2H5)2Zn)(100体積ppm)−水素(H2)を使
用した。The buffer layer 202 is made of zinc (Zn)
P-type B0.33In0.67It consisted of a P mixed crystal layer. Layer thickness
The BInP buffer layer 102 of which
(BTwoH6) / Phosphine (PHThree) / Hydrogen growth reaction system
Formed at 450 ° C by a general atmospheric pressure MOCVD method
Filmed. As a Zn doping source, diethyl zinc ((C
TwoHFive)TwoZn) (100 ppm by volume) -hydrogen (HTwo)use
Used.
【0079】Si基板201とB0.33In0.67P緩衝層
202との接合界面204から約30Åの領域は主に単
結晶からなる単結晶体領域202mとした。その上方の
約120Åに亘る領域は非晶質体から主に構成される非
晶質体領域202nとした。LED200を構成した後
において、緩衝層202を構成するB0.33In0.67P混
晶層からは、B6PやB13P2に帰属できるX線回折ピー
クは認められなかった。A region approximately 30 ° from the junction interface 204 between the Si substrate 201 and the B 0.33 In 0.67 P buffer layer 202 was a single crystal region 202m mainly composed of a single crystal. The region extending over about 120 ° is an amorphous body region 202n mainly composed of an amorphous body. After the LED 200 was formed, no X-ray diffraction peak attributed to B 6 P or B 13 P 2 was recognized from the B 0.33 In 0.67 P mixed crystal layer forming the buffer layer 202.
【0080】B0.33In0.67P緩衝層202上には、第
1実施例に記載のpn接合型DH構造の発光部203と
コンタクト層206とを重層させて形成した。基板20
1を構成するSiに格子整合する素材から緩衝層202
を構成しているため、その上層は、何れも特に連続性に
優れ、且つ立方晶の結晶形態を呈するものとなった。On the B 0.33 In 0.67 P buffer layer 202, the light emitting section 203 having the pn junction type DH structure described in the first embodiment and the contact layer 206 were formed in an overlapping manner. Substrate 20
Buffer layer 202 from a material lattice-matched to Si
, Each of the upper layers was particularly excellent in continuity and exhibited a cubic crystal form.
【0081】p形導電性のSi基板201の裏面に正の
オーミック電極207を、コンタクト層206の表面に
直径を約110μmとする負のオーミック電極208を
設けてLED200を構成した。このLED200に2
0mAの順方向電流を通流させて、発光波長を約450
nmとする青色発光を得た。発光スペクトルの半値幅は
約13nmであった。順方向電圧は約2.7V(at2
0mA)で、逆方向電圧は優に15V(at10μA)
を越え、pn接合特性(整流性)にも優れるLEDが提
供された。An LED 200 was constructed by providing a positive ohmic electrode 207 on the back surface of a p-type conductive Si substrate 201 and a negative ohmic electrode 208 having a diameter of about 110 μm on the surface of the contact layer 206. This LED200 has 2
By passing a forward current of 0 mA, the emission wavelength becomes about 450
Blue emission was obtained with a nm. The half width of the emission spectrum was about 13 nm. The forward voltage is about 2.7 V (at2
0 mA) and the reverse voltage is as high as 15 V (at 10 μA)
And an LED having excellent pn junction characteristics (rectifying properties) was provided.
【0082】(第3実施例)図10は本発明の第3実施
例に係るLEDの断面構造を示す図である。本実施例で
は、アンチモン(Sb)をドーピングしたn形の(00
1)−Si単結晶基板301上に、歪超格子構造からな
る緩衝層302を備えた積層構造体を形成し、その積層
構造体からLED300を構成した。(Third Embodiment) FIG. 10 is a view showing a sectional structure of an LED according to a third embodiment of the present invention. In this embodiment, an n-type (00) doped with antimony (Sb) is used.
1) A stacked structure including a buffer layer 302 having a strained superlattice structure was formed on a -Si single crystal substrate 301, and an LED 300 was formed from the stacked structure.
【0083】この実施例では、緩衝層302を、BCl
3/PCl3/H2 系ハロゲンVPE法により、400℃
で成膜したB0.04Ga0.96P混晶及びリン化ガリウム
(GaP)の歪超格子型重層構造とした。すなわち、S
bドープSi単結晶基板301表面上には、先ず、アン
ドープn形B0.04Ga0.96P混晶層320を堆積して緩
衝層302の最下層とした。アンドープn形B0.04Ga
0.96P混晶層320上には、層厚を約50ÅとするSi
ドープn形GaP層321を堆積してある。このB0.04
Ga0.96P混晶層320/GaP層321の重層構造を
2回反復して積み重ねた後に、更にB0.04Ga0.96P混
晶層320を積層させ、その全体を緩衝層302とし
た。In this embodiment, the buffer layer 302 is made of BCl
400 ° C by 3 / PCl 3 / H 2 halogen VPE method
To form a strained superlattice type multilayer structure of B 0.04 Ga 0.96 P mixed crystal and gallium phosphide (GaP). That is, S
An undoped n-type B 0.04 Ga 0.96 P mixed crystal layer 320 was first deposited on the surface of the b-doped Si single crystal substrate 301 to form a lowermost layer of the buffer layer 302. Undoped n-type B 0.04 Ga
On the 0.96 P mixed crystal layer 320, a Si layer having a thickness of about 50 ° is formed.
A doped n-type GaP layer 321 has been deposited. This B 0.04
After the multilayer structure of the Ga 0.96 P mixed crystal layer 320 / GaP layer 321 was repeatedly stacked twice, the B 0.04 Ga 0.96 P mixed crystal layer 320 was further laminated, and the whole was used as the buffer layer 302.
【0084】緩衝層302の最下層のB0.04Ga0.96P
混晶層320は、当該LED300の構成後における電
子線回折法による解析を基に、B13P2 に代表される硼
素多原子リン化硼素結晶の含有量を約1/30未満とす
るとともに、その大部分が立方晶のBGaP結晶から構
成されていることが分かった。また、Si単結晶基板3
01との接合界面304近傍の領域は、面心立方格子型
のBP単結晶体から構成されていた。The lowermost layer B 0.04 Ga 0.96 P of the buffer layer 302
The mixed crystal layer 320 reduces the content of a boron polyatomic boron phosphide crystal represented by B 13 P 2 to less than about 1/30 based on an analysis by an electron beam diffraction method after the LED 300 is formed. It was found that most of them were composed of cubic BGaP crystals. In addition, the Si single crystal substrate 3
The region near the bonding interface 304 with No. 01 was composed of a face-centered cubic lattice type BP single crystal.
【0085】歪超格子構造からなる緩衝層302上の発
光部303は、下部クラツド層303aとしてSiドー
プn形GaN層(層厚=3.2μm、キャリア濃度=
3.0×1018cm-3)、発光層303bとしての亜鉛
(Zn)とSiとをドーピングしたn形Ga0.90In
0.10N層(層厚=0.08μm、キャリア濃度=2.0
×1018cm-3)、及び上部クラッド層303cとして
のMgドープp形Al0.10Ga0.90N層(層厚=0.0
2μm、キャリア濃度=1.4×1017cm-3)を順
次、積層して構成した。The light emitting portion 303 on the buffer layer 302 having a strained superlattice structure has a Si-doped n-type GaN layer (layer thickness = 3.2 μm, carrier concentration =
3.0 × 10 18 cm −3 ), n-type Ga 0.90 In doped with zinc (Zn) and Si as the light emitting layer 303 b
0.10 N layer (layer thickness = 0.08 μm, carrier concentration = 2.0
× 10 18 cm −3 ) and an Mg-doped p-type Al 0.10 Ga 0.90 N layer (layer thickness = 0.0) as the upper cladding layer 303c.
2 μm, carrier concentration = 1.4 × 10 17 cm −3 ) were sequentially laminated.
【0086】本発明に係る緩衝層302表面上に発光部
303を積層したことにより、発光部303を構成する
各層303a,303b,303cは、何れも連続膜か
ら構成することができた。また、緩衝層302の最表層
を構成するSiドープn形B 0.04Ga0.96P混晶層32
0が六方晶の硼素多原子リン化硼素結晶を全んど含まず
に構成されていることにより、発光部303は立方晶の
結晶層から構成されるものとなった。The light emitting portion is provided on the surface of the buffer layer 302 according to the present invention.
The light emitting unit 303 is configured by stacking the 303.
Each of the layers 303a, 303b, 303c is a continuous film
Could be configured. The outermost layer of the buffer layer 302
Si-doped n-type B 0.04Ga0.96P mixed crystal layer 32
0 does not include any hexagonal boron polyatomic boron phosphide crystal
, The light emitting portion 303 has a cubic structure.
It was composed of a crystal layer.
【0087】上部クラッド層303c上のMgドープp
形GaN層(層厚=0.12μm、キャリア濃度=1.
5×1018cm-3)からなるコンタクト層306上に
は、金(Au)とニッケル(Ni)酸化物との重層構成
からなるp形オーミック電極307を配置した。また、
SbドープSi単結晶基板301の裏面には、基板1の
導電性を活用して、アルミニウム(Al)・Sb合金か
らなるn形オーミック電極308を配置し、動作電流を
上下方向に給電するLED300となした。The Mg-doped p on the upper cladding layer 303c
GaN layer (layer thickness = 0.12 μm, carrier concentration = 1.1.
On the contact layer 306 made of 5 × 10 18 cm −3 ), a p-type ohmic electrode 307 having a multilayer structure of gold (Au) and nickel (Ni) oxide was arranged. Also,
On the back surface of the Sb-doped Si single crystal substrate 301, an n-type ohmic electrode 308 made of an aluminum (Al) · Sb alloy is disposed by utilizing the conductivity of the substrate 1, and an LED 300 that supplies an operating current in the vertical direction is provided. Done
【0088】このLED300に順方向に動作電流を流
通させ青色発光を得た。順方向電流を20mAとした際
の発光波長は約450nmで、発光スペクトルの半値幅
は約12nmであった。一般の積分球を利用して測光さ
れるチップ状態での発光強度は18マイクロワツト(μ
W)となった。順方向電圧(Vf)は、約2.7Vであ
り、逆方向電圧(Vr)は、15V以上と優れたものと
なり、良好なpn接合特性が顕現されているのが認めら
れた。An operating current was passed through the LED 300 in the forward direction to emit blue light. When the forward current was 20 mA, the emission wavelength was about 450 nm, and the half width of the emission spectrum was about 12 nm. The light emission intensity in a chip state measured using a general integrating sphere is 18 microwatts (μ
W). The forward voltage (Vf) was about 2.7 V, and the reverse voltage (Vr) was as excellent as 15 V or more, and it was recognized that good pn junction characteristics were exhibited.
【0089】(第4実施例)図11は本発明の第4実施
例に係るLEDの断面構造を示す図である。本実施例で
は、リン(P)をドーピングしたn形の(100)−S
i単結晶基板401上に、リン化硼素から成る緩衝層4
02及び介在層409を備えた積層構造体を形成し、そ
の積層構造体からLED400を構成した。(Fourth Embodiment) FIG. 11 is a view showing a sectional structure of an LED according to a fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, n-type (100) -S doped with phosphorus (P) is used.
Buffer layer 4 made of boron phosphide on i single crystal substrate 401
02 and an intervening layer 409 were formed, and an LED 400 was formed from the laminated structure.
【0090】緩衝層402は、三塩化硼素(BCl3)
/三塩化リン(PCl3)/水素(H 2 )反応系を用い
た一般的なハロゲンVPE法により350℃で成長させ
たものであり、層厚を200Åとするn形リン化硼素
(BP)層から構成した。BCl 3に対するPC13の供
給量の比率(=PCl3/BCl3比率)は、100倍に
設定した。緩衝層402の成膜時には、ジシラン(5体
積ppm)−水素混合ガスを使用してSiをドーピング
した。この緩衝層402のうち、Si単結晶基板401
との接合面404から約30Åの領域は、BPからなる
単結晶体領域402mとし、更にその上方の領域はBP
からなる非晶質体領域402nとして構成した。単結晶
体領域402mには、B6PやB13P2、或いはB14.7P
0.3 などの硼素多原子リン化硼素結晶の存在は、X線回
折分析法では検知されなかった。The buffer layer 402 is made of boron trichloride (BClThree)
/ Phosphorus trichloride (PClThree) / Hydrogen (H Two) Using a reaction system
Grown at 350 ° C by a general halogen VPE method.
N-type boron phosphide having a layer thickness of 200 °
(BP) layer. BCl ThreePC1 forThreeCompanion
Ratio of the amount of supply (= PClThree/ BClThreeRatio) is 100 times
Set. When forming the buffer layer 402, disilane (5
Product ppm) -Doping Si using hydrogen mixed gas
did. Among the buffer layers 402, the Si single crystal substrate 401
A region of about 30 ° from the joining surface 404 with BP is made of BP.
The single crystal body region is 402 m, and the further upper region is BP
As an amorphous body region 402n. Single crystal
B in the body region 402m6P or B13PTwoOr B14.7P
0.3 The existence of boron polyatomic boron phosphide crystals such as
It was not detected by fold analysis.
【0091】緩衝層402の表面上には、ハライドVP
E法により960℃でリン化硼素(BP)層を介在層4
09として積層した。層厚は0.2μmとした。また、
その成膜時にジシラン(5体積ppm)−水素混合ガス
を使用してSiをドービングすることにより、この介在
層409をn形結晶層とした。下層側の緩衝層402に
含まれるB13P2 に代表される硼素多原子リン化硼素結
晶の量は、1%未満であったため、このBP介在層40
9は立方晶である上に平滑な連続膜となった。On the surface of the buffer layer 402, the halide VP
A boron phosphide (BP) layer is formed at 960 ° C.
09. The layer thickness was 0.2 μm. Also,
By doping Si using a mixed gas of disilane (5 ppm by volume) and hydrogen at the time of film formation, the intervening layer 409 was made an n-type crystal layer. Since the amount of boron polyatomic boron phosphide crystal typified by B 13 P 2 contained in the lower buffer layer 402 was less than 1%, this BP intervening layer 40
9 was a cubic crystal and became a smooth continuous film.
【0092】BP介在層409上には、Siドープn形
窒化ガリウム(GaN)層(層厚=1.0μm、キャリ
ア濃度=2.2×1018cm-3)、アンドープn形Ga
0.94In0.06N層(層厚=0.06μm、キャリア濃度
=1.8×1018cm-3)、及びMgドープp形Al
0.90Ga0.10N層(層厚=0.10μ、キャリア濃度=
1.2×1017cm-3)の、何れも立方晶を有する結晶
層を順次積層した。n形GaN結晶層を下部クラッド層
403aとし、n形Ga0.94In0.06N結晶層を発光層
403bとし、p形A10.90Ga0.10N結晶層を上部ク
ラッド層403cとして、立方晶結晶層からなるpn接
合型DH構造の発光部403を構成した。p形クラッド
層403c上のコンタクト層406は、Mgドープp形
GaN層(層厚=0.10μm、キャリア濃度=8.2
×1017cm-3)から構成した。On the BP intervening layer 409, a Si-doped n-type gallium nitride (GaN) layer (layer thickness = 1.0 μm, carrier concentration = 2.2 × 10 18 cm −3 ), undoped n-type Ga
0.94 In 0.06 N layer (layer thickness = 0.06 μm, carrier concentration = 1.8 × 10 18 cm −3 ), and Mg-doped p-type Al
0.90 Ga 0.10 N layer (layer thickness = 0.10 μ, carrier concentration =
1.2 × 10 17 cm −3 ), each having a cubic crystal layer. An n-type GaN crystal layer is used as a lower cladding layer 403a, an n-type Ga 0.94 In 0.06 N crystal layer is used as a light emitting layer 403b, and a p-type A1 0.90 Ga 0.10 N crystal layer is used as an upper cladding layer 403c. The light emitting unit 403 having the junction type DH structure was formed. The contact layer 406 on the p-type cladding layer 403c is a Mg-doped p-type GaN layer (layer thickness = 0.10 μm, carrier concentration = 8.2).
× 10 17 cm -3 ).
【0093】コンタクト層406の表面上に、直径を約
120μmとする金(Au)からなる正のオーミック電
極407を設け、n形導電性のSi単結晶基板401の
裏面の略全面に、アルミニウム(Al)からなる負のオ
ーミック電極408を設け、LED400を構成した。A positive ohmic electrode 407 made of gold (Au) having a diameter of about 120 μm is provided on the surface of the contact layer 406, and aluminum (Al) is formed on almost the entire back surface of the n-type conductive Si single crystal substrate 401. An LED 400 was provided by providing a negative ohmic electrode 408 made of Al).
【0094】両オーミック電極407,408間に順方
向に動作電流を通流して、青紫色の発光を得た。順方向
電流を20ミリアンペア(mA)に設定した際の、発光
波長は約430ナノメータ(nm)と測光された。発光
スペクトルの半値幅は、単色性に優れた発光をもたらす
に充分な約12nmとなった。順方向電圧(Vf)は、
特に2.6ボルトと低値であった。加えて、逆方向電圧
値は、15V以上(at10マイクロアンペア(μ
A))と良好なpn接合特性が形成されていることを示
す高値となった。An operating current was passed between the ohmic electrodes 407 and 408 in the forward direction to emit blue-violet light. When the forward current was set to 20 milliamperes (mA), the emission wavelength was measured at about 430 nanometers (nm). The half width of the emission spectrum was about 12 nm, which was sufficient to provide emission with excellent monochromaticity. The forward voltage (Vf) is
The value was particularly low at 2.6 volts. In addition, the reverse voltage value is 15 V or more (at 10 microamps (μ
A)) and a high value indicating that good pn junction characteristics were formed.
【0095】(第5実施例)図12は本発明の第5実施
例に係るLEDの断面構造を示す図である。本実施例で
は、緩衝層502及び介在層509の構成材料を、第4
実施例に記載のBPからリン化硼素・ガリウム混晶(B
0.02Ga0.98P)に変更して、LED500を構成し
た。(Fifth Embodiment) FIG. 12 is a view showing a sectional structure of an LED according to a fifth embodiment of the present invention. In the present embodiment, the constituent materials of the buffer layer 502 and the intervening layer 509 are
Boron phosphide / gallium mixed crystal (B
0.02 Ga 0.98 P) to construct LED500.
【0096】緩衝層502を形成する硼素組成比を0.
02とするn形のB0.02Ga0.98P混晶層は、トリメチ
ル硼素((CH3)3B)を硼素(B)源、トリメチルガ
リウム((CH3)3Ga)をガリウム(Ga)源、及び
ホスフィン(PH3 )をリン(P)源とする通常の常圧
MOCVD法により450℃で成膜した。n形の緩衝層
502を得るために、成膜時にはジシランをドーピング
ガスとしてSiをドーピングした。この緩衝層502に
おけるB13P2 に代表される硼素多原子リン化硼素結晶
の含有量は、1%未満であった。層厚を約100Åとす
る緩衝層502のうち、Si単結晶基板501との接合
界面504から約20Åの領域は、B0. 02Ga0.98P混
晶からなる単結晶体領域502mとして形成し、更にそ
の上方の領域はB0.02Ga0.98P混晶からなる非晶質体
領域502nとして形成した。The boron composition ratio for forming the buffer layer 502 is set to 0.1.
The n-type B 0.02 Ga 0.98 P mixed crystal layer of 02 has a boron (B) source of trimethylboron ((CH 3 ) 3 B), a gallium (Ga) source of trimethylgallium ((CH 3 ) 3 Ga), A film was formed at 450 ° C. by a normal atmospheric pressure MOCVD method using phosphine (PH 3 ) and phosphine (PH 3 ) as a source. In order to obtain the n-type buffer layer 502, Si was doped at the time of film formation using disilane as a doping gas. The content of the boron polyatomic boron phosphide crystal represented by B 13 P 2 in the buffer layer 502 was less than 1%. Among the buffer layer 502 to about 100Å for layer thickness, the region of about 20Å from the bonding interface 504 between the Si single crystal substrate 501 formed as a single crystal region 502m consisting B 0. 02 Ga 0.98 P mixed crystal, Further, a region thereabove was formed as an amorphous body region 502n made of a B 0.02 Ga 0.98 P mixed crystal.
【0097】緩衝層502の表面上には、第4実施例と
同様にして950℃で、n形のB0. 02Ga0.98P混晶を
介在層509として積層した。下層側の緩衝層502に
含まれるB13P2 に代表される硼素多原子リン化硼素結
晶の量は、1%未満であったため、このB0.02Ga0.98
P混晶介在層509は立方晶である上に平滑な連続膜と
なった。[0097] On the surface of the buffer layer 502, in to 950 ° C. in the same manner as in the fourth embodiment, by laminating a n-type B 0. 02 Ga 0.98 P mixed crystal as an intervening layer 509. Since the amount of boron polyatomic boron phosphide crystal typified by B 13 P 2 contained in the lower buffer layer 502 was less than 1%, this B 0.02 Ga 0.98
The P mixed crystal intervening layer 509 was cubic and became a smooth continuous film.
【0098】格子定数を4.51Åとするn形B0.02G
a0.98P混晶介在層509の表面には、同じく格子定数
を4.51Åとするn形GaNを下部クラッド層503
aとして含む、上記第4実施例に記載と同様の発光部5
03を積層させた。すなわち、緩衝層502と下部クラ
ッド層503aとの格子整合性を介在層509によって
より一層確実なものとした。発光部503を構成する最
表層のp形AlGaNクラッド層503c上には、第4
実施例と同様に、p形GaNから成るコンタクト層50
6を積層した。これにより、LED用途の積層構造体を
構成した。この積層構造体を構成する各構成層は、何れ
も立方晶であり、且また、連続膜となった。コンタクト
層506の表面上に、直径を約120μmとする金(A
u)からなる正のオーミック電極507を設け、n形導
電性のSi単結晶基板501の裏面の略全面に、アルミ
ニウム(Al)からなる負のオーミック電極508を設
け、LED500を構成した。N-type B 0.02 G with lattice constant of 4.51 °
On the surface of a 0.98 P mixed crystal intervening layer 509, n-type GaN having a lattice constant of 4.51 ° is also formed on lower cladding layer 503.
A light emitting unit 5 similar to that described in the fourth embodiment, including
03 was laminated. That is, the lattice matching between the buffer layer 502 and the lower cladding layer 503a is further ensured by the intervening layer 509. The fourth p-type AlGaN cladding layer 503c constituting the light emitting portion 503 has
As in the embodiment, the contact layer 50 made of p-type GaN is used.
6 was laminated. Thus, a laminated structure for an LED was constructed. Each of the constituent layers constituting the laminated structure was cubic, and was a continuous film. Gold (A) having a diameter of about 120 μm is formed on the surface of the contact layer 506.
The positive ohmic electrode 507 made of u) was provided, and the negative ohmic electrode 508 made of aluminum (Al) was provided on substantially the entire back surface of the n-type conductive Si single crystal substrate 501 to constitute the LED 500.
【0099】LED500は、順方向に20mAの動作
電流を流通させた際に、約430nmの青紫色の可視光
を放射した。発光スペクトルの半値幅は、約14nmで
あった。順方向電圧(Vf)は、約2.7Vであり、逆
方向電圧(Vr)は、15V以上と優れたものとなっ
た。The LED 500 emitted blue-violet visible light of about 430 nm when an operating current of 20 mA was passed in the forward direction. The half width of the emission spectrum was about 14 nm. The forward voltage (Vf) was about 2.7 V, and the reverse voltage (Vr) was as excellent as 15 V or more.
【0100】(第6実施例)図13は本発明の第6実施
例に係るLDの断面構造を示す図である。本実施例で
は、第1実施例に記載と同じZnドープp形B0.02Ga
0.98P混晶からなる緩衝層602上に、リン組成比Kを
層厚方向に減少させたBPKN1-K(0<K≦1)からな
る介在層609を挿入して積層構造体を構成し、その積
層構造体からIII 族窒化物半導体発光素子としてのレー
ザダイオード(LD)600を構成した。(Sixth Embodiment) FIG. 13 is a view showing a sectional structure of an LD according to a sixth embodiment of the present invention. In this embodiment, the same Zn-doped p-type B 0.02 Ga as described in the first embodiment is used.
On the buffer layer 602 made of 0.98 P mixed crystal, an intervening layer 609 made of BP K N 1-K (0 <K ≦ 1) in which the phosphorus composition ratio K is reduced in the thickness direction is inserted to form a laminated structure. Then, a laser diode (LD) 600 as a group III nitride semiconductor light emitting device was formed from the laminated structure.
【0101】介在層609は、緩衝層602と下部クラ
ッド層603aとの格子整合をより確実とするために設
けた結晶層であって、常圧MOCVD法により950℃
で成膜した。介在層602のリン組成比Kは、緩衝層6
02との接合界面605で1.0とし、層厚を0.50
μmとする介在層609の表面では0.97とした。リ
ン組成比Kは、硼素(B)源としたB2H6、及びリン源
としたPH3 のMOCVD反応系への供給量を一定に保
持したままで、窒素(N)源のNH3 の供給量を経時的
に一定の割合で増加させて付与した。また、介在層60
9は、成膜時にジエチル亜鉛(100体積ppm)−水
素混合ガスをZnのドーピング源としてZnをドーピン
グしp形結晶層とした。このp形介在層609は連続膜
であり、このため、その上層を連続膜とするのに貢献し
た。The intervening layer 609 is a crystal layer provided to ensure the lattice matching between the buffer layer 602 and the lower cladding layer 603a.
Was formed. The phosphorus composition ratio K of the intervening layer 602 is
1.0 at the bonding interface 605 with the layer No. 02 and a layer thickness of 0.50
The thickness was 0.97 on the surface of the intervening layer 609 having a thickness of μm. The phosphorus composition ratio K is determined by keeping the supply amounts of B 2 H 6 as the boron (B) source and PH 3 as the phosphorus source to the MOCVD reaction system constant, while maintaining the supply amount of NH 3 as the nitrogen (N) source. The supply amount was increased at a constant rate over time. Also, the intervening layer 60
No. 9 formed a p-type crystal layer by doping Zn with a mixture of diethyl zinc (100 ppm by volume) and hydrogen as a doping source of Zn at the time of film formation. This p-type intervening layer 609 is a continuous film, and thus has contributed to making the upper layer a continuous film.
【0102】介在層609の表面を構成する格子定数を
4.51ÅとするBP0.97N0.03層上には、これと格子
定数が一致する立方晶を主体とするp形の窒化ガリウム
(GaN)結晶からなる下部クラッド層603aを積層
した。この下部クラッド層603aは、常圧のMOCV
D法により850℃で成膜し、キャリア濃度は、Mgの
ドーピング源としたビスシクロペンタジエニルMg(b
is−(C5H5)2 Mg)のMOCVD反応系への供給
量をもって調整した。このGaN結晶から成る下部クラ
ッド層603aは、立方晶を主体として構成されている
ため、Mgのドーピングによりキャリア濃度を約1×1
018cm-3とするp形層が容易にもたらされた。層厚は
約2.5μmとした。On the BP 0.97 N 0.03 layer having a lattice constant of 4.51 ° constituting the surface of the intervening layer 609, a p-type gallium nitride (GaN) crystal mainly composed of a cubic crystal having a lattice constant identical to that of the BP 0.97 N 0.03 layer The lower clad layer 603a made of was laminated. This lower cladding layer 603a is made of a normal pressure MOCV
The film was formed at 850 ° C. by the method D, and the carrier concentration was changed to biscyclopentadienyl Mg (b
is- (C 5 H 5) was adjusted with a feed to MOCVD reaction system 2 Mg). Since the lower cladding layer 603a made of GaN crystal is mainly composed of a cubic crystal, the carrier concentration is reduced to about 1 × 1 by doping with Mg.
A p-type layer of 0 18 cm -3 was easily provided. The layer thickness was about 2.5 μm.
【0103】下部クラッド層603aを構成する立方晶
のGaN結晶層上には、GaNとの不整合度が小さいイ
ンジウム(In)組成比を0.06とする立方晶の窒化
ガリウムインジウム混晶(Ga0.94In0.06N)から成
る発光層603bを積層した。発光層603bは、アン
ドープでキャリア濃度を約3×1018cm-3とし、層厚
を約0.1μmとした。発光層603bをなすGa0.94
In0.06N混晶層の格子定数は4.54Åであり、ま
た、下部クラッド層603aを構成するGaNの格子定
数は4.51Åであるため、格子の不整合度(ミスマッ
チ度)は、約0.67%と小さく抑制することができ
た。ちなみに、従来通りの六方晶のGaN(格子定数=
3.180Å)と、Vegard則より格子定数が3.
209Åと求められる六方晶のGa0.94In0.06N混晶
層との積層系における格子不整合度は、約10.2%に
達する。On the cubic GaN crystal layer constituting the lower cladding layer 603a, a cubic gallium indium nitride mixed crystal (Ga) having a small inconsistency with GaN and an indium (In) composition ratio of 0.06 is used. A light emitting layer 603b made of 0.94 In 0.06 N) was laminated. The light emitting layer 603b was undoped to have a carrier concentration of about 3 × 10 18 cm −3 and a layer thickness of about 0.1 μm. Ga 0.94 forming the light emitting layer 603b
Since the lattice constant of the In 0.06 N mixed crystal layer is 4.54 ° and the lattice constant of GaN constituting the lower cladding layer 603a is 4.51 °, the degree of lattice mismatch (degree of mismatch) is about 0 °. .67%. Incidentally, conventional hexagonal GaN (lattice constant =
3.180 °) and the lattice constant is 3.
The degree of lattice mismatch in a laminated system with a hexagonal Ga 0.94 In 0.06 N mixed crystal layer determined to be 209 ° reaches about 10.2%.
【0104】発光層603bの表面上には、上部クラッ
ド層603cとして、Siドープのn形GaN結晶層を
積層した。キャリア濃度は、Siのドーピング源とした
ジシラン(Si2H6)−水素混合ガスのMOCVD反応
系への供給量をもって調節し、約3.0×1018cm-3
とした。層厚は0.50μmとした。立方晶のGaNか
らなる上部クラッド層603cも、発光層603bと同
じく、常圧MOCVD法により成膜した。上部クラッド
層603c上に、層厚を0.8μmとし、キャリア濃度
を1.5×1018cm-3とするp形のGaN結晶層を積
層し、電流狭窄層610とした。On the surface of the light emitting layer 603b, an Si-doped n-type GaN crystal layer was laminated as an upper cladding layer 603c. The carrier concentration is adjusted by the supply amount of a disilane (Si 2 H 6 ) -hydrogen mixed gas as a Si doping source to the MOCVD reaction system, and is about 3.0 × 10 18 cm −3.
And The layer thickness was 0.50 μm. The upper cladding layer 603c made of cubic GaN was also formed by the normal pressure MOCVD method similarly to the light emitting layer 603b. A p-type GaN crystal layer having a layer thickness of 0.8 μm and a carrier concentration of 1.5 × 10 18 cm −3 was laminated on the upper cladding layer 603c to form a current confinement layer 610.
【0105】透過型電子顕微鏡(TEM)を利用した断
面TEM観察に依れば、Si単結晶基板601と緩衝層
602との接合界面604の極く一部の領域にB13P6
と推定される微結晶が認められた。しかし、緩衝層60
2の上部の領域には、硼素多原子リン化硼素結晶は認め
られなかった。また、低温での成膜時には、Si単結晶
基板601との接合界面604近傍に限られていた単結
晶を主体として構成される領域が、より高温で上層を積
層した後では、ほぼ全体が単結晶から構成されるものと
なった。According to a cross-sectional TEM observation using a transmission electron microscope (TEM), B 13 P 6 is formed in a very small region of the bonding interface 604 between the Si single crystal substrate 601 and the buffer layer 602.
Microcrystals presumed to be were observed. However, the buffer layer 60
No boron polyatomic boron phosphide crystals were observed in the upper region of No. 2. Further, at the time of film formation at a low temperature, a region mainly composed of a single crystal, which has been limited to the vicinity of the bonding interface 604 with the Si single crystal substrate 601, is almost entirely formed after the upper layer is laminated at a higher temperature. It was composed of crystals.
【0106】積層構造体の最表層をなす電流狭窄層61
0を帯(ストライプ)状に開口した後、金(Au)から
なる帯状の負オーミック電極608を、電流狭窄眉61
0を介して、上部クラッド層603cの表面に接するよ
うに配置した。一方、p形の正オーミック電極607
は、立方晶p形Si単結晶基板601の裏面側に”べ
た”全面電極として設けた。そして、積層構造体の表面
の互いに直交する裁断ラインを利用して長方形のチップ
となした。ダイヤモンド結晶構造型のSi単結晶基板6
01が元来、[011]方向に劈開性を有するために、
容易に且つチッピング(欠け)も少なくチップとなすこ
とができた。また、チップの短辺側の端面も平滑で鏡面
な劈開面で構成されているため、光共振面として活用で
きるものであった。The current confinement layer 61 which is the outermost layer of the laminated structure
After opening 0 in a band (stripe) shape, a band-shaped negative ohmic electrode 608 made of gold (Au) is connected to the current constriction eyebrow 61.
It was arranged so as to be in contact with the surface of the upper cladding layer 603c via the center line 0. On the other hand, a p-type positive ohmic electrode 607
Was provided on the back side of the cubic p-type Si single crystal substrate 601 as a "solid" full-surface electrode. Then, rectangular chips were formed using cutting lines orthogonal to each other on the surface of the laminated structure. Si single crystal substrate 6 of diamond crystal structure type
01 originally has a cleavage property in the [011] direction.
Chips could be easily formed with little chipping. In addition, since the end face on the short side of the chip is also formed of a smooth and mirror-like cleavage plane, it can be used as an optical resonance plane.
【0107】銅ヒートシンクにチップを載置した状態
で、順方向電圧を印可した。約20A/cm2 を閾値電
圧として青色レーザ光の発振を得た。発振波長は約44
0nmとなった。With the chip placed on the copper heat sink, a forward voltage was applied. Blue laser light oscillation was obtained with a threshold voltage of about 20 A / cm 2 . The oscillation wavelength is about 44
It became 0 nm.
【0108】[0108]
【発明の効果】この発明は上記した構成からなるので、
以下に説明するような効果を奏することができる。請求
項1に記載の発明では、珪素単結晶基板上の緩衝層を、
BP系III −V族化合物半導体結晶が主体晶で、硼素元
素とリン元素との構成割合を6対1以上とする硼素多原
子リン化硼素結晶(BxPY:X≧6、0<Y≦2)が従
属晶となるように形成し、この緩衝層上にIII 族窒化物
半導体からなる発光部を積層した。このように緩衝層
は、立方晶のBP系III −V族化合物半導体結晶を主体
晶としているので、その上層の発光部も立方晶として形
成することができ、したがって、III 族窒化物半導体発
光素子において、基板に導電性で立方晶の珪素単結晶を
用いたことにより発揮される諸効果、すなわち、発光面
積をより広く確保できる、レーザダイオードにおける光
共振面を容易に形成できる、さらにはpn接合型発光部
を構成する低抵抗のp形伝導層を容易に形成できる、と
いった諸効果を充分に表すことができ、III 族窒化物半
導体発光素子を発光効率がよく、発光強度も優れたもの
とすることができる。Since the present invention has the above-described configuration,
The following effects can be obtained. In the invention according to claim 1, the buffer layer on the silicon single crystal substrate is
Boron polyatomic boron phosphide crystal (B x P Y : X ≧ 6, 0 <Y) in which a BP-based III-V compound semiconductor crystal is a main crystal and a composition ratio of a boron element and a phosphorus element is 6: 1 or more. ≦ 2) was formed as a subordinate crystal, and a light emitting portion made of a group III nitride semiconductor was laminated on this buffer layer. As described above, since the buffer layer is mainly composed of a cubic BP-based III-V compound semiconductor crystal, the light emitting portion of the upper layer can also be formed as a cubic crystal. Therefore, the group III nitride semiconductor light emitting device In the above, various effects exhibited by using a conductive cubic silicon single crystal for the substrate, that is, a light emitting area can be secured wider, an optical resonance surface in a laser diode can be easily formed, and further, a pn junction Various effects such as easy formation of a low-resistance p-type conductive layer constituting the light-emitting portion can be sufficiently exhibited, and a III-nitride semiconductor light-emitting device having good luminous efficiency and excellent luminous intensity can do.
【0109】また、請求項2に記載の発明では、緩衝層
が珪素単結晶基板との接合界面側で単結晶体、その上層
側で非晶質体となるようにしたので、接合界面側での単
結晶体は、珪素単結晶基板との間での格子不整合性をほ
ぼ吸収して上層に連続性をもたらすとともに、非晶質体
はその均質性のゆえに、発光部側との格子の不整合性を
充分に且つ均等に緩和する作用を発揮し、緩衝層とは格
子整合の関係にはないIII 族窒化物半導体であっても平
滑で連続性を有する結晶層を積層することができる。ま
た、非晶質体の良好な結晶品質と均質性のゆえに、緩衝
層上に、画一化された結晶配向性を有するIII 族窒化物
半導体を積層させることができ、この点からも、III 族
窒化物半導体発光素子を発光効率がよく、発光強度も優
れたものとすることができる。According to the second aspect of the present invention, the buffer layer is made of a single crystal at the junction interface side with the silicon single crystal substrate and an amorphous material at the upper layer side. The single crystal body substantially absorbs the lattice mismatch between the single crystal body and the silicon single crystal substrate to provide continuity in the upper layer, and the amorphous body has a lattice with the light emitting portion side because of its homogeneity. It can sufficiently and uniformly reduce the mismatch, and can form a smooth and continuous crystal layer even with a group III nitride semiconductor that does not have a lattice matching relationship with the buffer layer. . In addition, because of the good crystal quality and homogeneity of the amorphous body, it is possible to stack a group III nitride semiconductor having a uniform crystal orientation on the buffer layer. The group III nitride semiconductor light emitting device can have high luminous efficiency and excellent luminous intensity.
【0110】さらに、請求項3に記載の発明では、従属
晶の硼素多原子リン化硼素結晶が緩衝層全体の10%以
下となるようにしたので、六方晶系結晶の影響は発光部
にはほとんど及ばず、発光部をより一層良好に立方晶と
して構成することができる。Furthermore, according to the third aspect of the present invention, since the subordinate crystal of boron polyatomic boron phosphide is made to be 10% or less of the entire buffer layer, the influence of the hexagonal crystal does not affect the light emitting portion. It is almost inferior, and the light emitting portion can be more preferably configured as a cubic crystal.
【0111】請求項5及び請求項6に記載の発明では、
主体晶のBP系III −V族化合物半導体結晶をリン化硼
素・ガリウム混晶、あるいはリン化硼素・インジウム混
晶で形成するようにしたので、基板の珪素との完全な格
子整合を実現させることができ、したがって、この緩衝
層上に積層させる成長層をより一層平滑で連続なものと
なすことができる。According to the fifth and sixth aspects of the present invention,
Since the main crystal of the BP-based III-V compound semiconductor crystal is formed of a mixed crystal of boron phosphide and gallium, or a mixed crystal of boron phosphide and indium, perfect lattice matching with silicon of the substrate can be realized. Therefore, the growth layer laminated on the buffer layer can be made smoother and more continuous.
【0112】また、請求項7に記載の発明では、緩衝層
を、異なる組成の主体晶を重層させて形成したので、歪
超格子の作用で珪素単結晶基板との格子整合を実現で
き、単層の場合と同様に、緩衝層としての役割を果たさ
せることができる。Further, in the invention according to claim 7, since the buffer layer is formed by superposing the main crystals having different compositions, lattice matching with the silicon single crystal substrate can be realized by the action of the strained superlattice. As in the case of the layer, it can serve as a buffer layer.
【0113】請求項8に記載の発明では、緩衝層と発光
部との間に介在層を設けるようにしたので、発光部側と
の格子整合性をより一層完全なものとすることができ、
発光部の結晶構造を結晶欠陥のないより完全なものとす
るのに寄与することができる。According to the eighth aspect of the present invention, since the intervening layer is provided between the buffer layer and the light emitting section, the lattice matching with the light emitting section side can be further improved.
This can contribute to making the crystal structure of the light emitting portion more complete without crystal defects.
【0114】さらに、請求項10に記載の発明では、介
在層の組成に勾配を付けたので、緩衝層との接合界面側
では緩衝層に格子整合させ、発光部との接合界面側では
発光部に格子整合させることができ、格子整合性をより
一層確実なものとすることができる。Further, in the invention according to the tenth aspect, since the composition of the intervening layer is graded, lattice matching is performed with the buffer layer on the bonding interface side with the buffer layer, and the light emitting section is formed on the bonding interface side with the light emitting section. And the lattice matching can be further ensured.
【図1】この発明のIII 族窒化物半導体発光素子の積層
構造の一部を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing a part of a laminated structure of a group III nitride semiconductor light emitting device of the present invention.
【図2】緩衝層の組織構成を模式的に示す図である。FIG. 2 is a diagram schematically showing a tissue configuration of a buffer layer.
【図3】非晶質体が有する結晶欠陥抑制作用を説明する
ための図である。FIG. 3 is a diagram for explaining a crystal defect suppressing action of an amorphous body.
【図4】本発明に係る緩衝層上に積層したBP薄膜層の
X線回折スペクトルを示す図である。FIG. 4 is a view showing an X-ray diffraction spectrum of a BP thin film layer laminated on a buffer layer according to the present invention.
【図5】この発明の第2の実施形態を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
【図6】この発明の第2の実施形態を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
【図7】この発明の第3の実施形態を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.
【図8】この発明の第1実施例に係るLEDの断面構造
を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a cross-sectional structure of the LED according to the first embodiment of the present invention.
【図9】この発明の第2実施例に係るLEDの断面構造
を示す図である。FIG. 9 is a view showing a sectional structure of an LED according to a second embodiment of the present invention.
【図10】この発明の第3実施例に係るLEDの断面構
造を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a sectional structure of an LED according to a third embodiment of the present invention.
【図11】この発明の第4実施例に係るLEDの断面構
造を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing a sectional structure of an LED according to a fourth embodiment of the present invention.
【図12】この発明の第5実施例に係るLEDの断面構
造を示す図である。FIG. 12 is a view showing a sectional structure of an LED according to a fifth embodiment of the present invention.
【図13】この発明の第6実施例に係るLDの断面構造
を示す図である。FIG. 13 is a view showing a sectional structure of an LD according to a sixth embodiment of the present invention.
【図14】硼素多原子リン化硼素を主体として成る緩衝
層上に成膜したリン化硼素膜のX線回折スペクトルを示
す図である。FIG. 14 is a diagram showing an X-ray diffraction spectrum of a boron phosphide film formed on a buffer layer mainly composed of boron polyatomic boron phosphide.
1 Si単結晶基板 2 緩衝層 21 BP系III −V族化合物半導体結晶 22 硼素多原子リン化硼素結晶 2m 単結晶体 2n 非晶質体 2t 結晶欠陥 2a 重層構成の緩衝層 20a 第1層 21a 第2層 2b 重層構成の緩衝層 20b 第1層 21b 第2層 3 発光部 4 Si単結晶基板と緩衝層との接合界面 9 介在層 10 III 族窒化物半導体発光素子 100,200,300,400,500 LED 600 LD 101,201,301,401,501,601
Si単結晶基板 102,202,302,402,502,602
緩衝層 103,203,303,403,503,603
発光部 104,204,304,404,504,604
Si単結晶基板と緩衝層との接合界面 106,206,306,406,506,606
コンタクト層 107,207,307,407,507,607
正のオーミック電極 108,208,308,408,508,608
負のオーミック電極 610 電流狭窄層Reference Signs List 1 Si single crystal substrate 2 Buffer layer 21 BP-based III-V compound semiconductor crystal 22 Boron polyatomic boron phosphide crystal 2m Single crystal 2n Amorphous 2t Crystal defect 2a Multilayered buffer layer 20a First layer 21a First layer Double layer 2b Buffer layer 20b having a multilayer structure 20b First layer 21b Second layer 3 Light emitting portion 4 Junction interface between Si single crystal substrate and buffer layer 9 Intervening layer 10 Group III nitride semiconductor light emitting device 100, 200, 300, 400, 500 LED 600 LD 101, 201, 301, 401, 501, 601
Si single crystal substrate 102, 202, 302, 402, 502, 602
Buffer layer 103, 203, 303, 403, 503, 603
Light emitting units 104, 204, 304, 404, 504, 604
Bonding interface between Si single crystal substrate and buffer layer 106, 206, 306, 406, 506, 606
Contact layers 107, 207, 307, 407, 507, 607
Positive ohmic electrodes 108, 208, 308, 408, 508, 608
Negative ohmic electrode 610 Current confinement layer
Claims (10)
しIII 族窒化物半導体からなる発光部を積層して構成し
たIII 族窒化物半導体発光素子において、 上記緩衝層を、III 族元素とV族元素との構成割合を1
対1とするBP系III−V族化合物半導体結晶を主体晶
とし、硼素元素とリン元素との構成割合を6対1以上と
する硼素多原子リン化硼素結晶(BxPY:X≧6、0<
Y≦2)を従属晶として形成した、 ことを特徴とするIII 族窒化物半導体発光素子。1. A group III nitride semiconductor light emitting device comprising a light emitting portion made of a group III nitride semiconductor laminated on a conductive silicon single crystal substrate via a buffer layer, wherein the buffer layer is made of a group III element And the group V element by 1
The BP-based III-V compound semiconductor crystal according to-one mainly crystals, allocations to 6: 1 or more to boron polyatomic boron phosphide crystal boron element and phosphorus element (B x P Y: X ≧ 6 , 0 <
A group III nitride semiconductor light-emitting device, wherein Y ≦ 2) is formed as a dependent crystal.
界面側で単結晶体となり、その上層側で非晶質体となっ
ている、 ことを特徴とする請求項1に記載のIII 族窒化物半導体
発光素子。2. The III according to claim 1, wherein the buffer layer is a single crystal at a bonding interface side with the silicon single crystal substrate and is an amorphous body at an upper layer side. Group nitride semiconductor light emitting device.
発光素子。3. The group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the sub crystal is 10% or less of the whole.
ある、 ことを特徴とする請求項1に記載のIII 族窒化物半導体
発光素子。4. The group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the main crystal is a boron phosphide crystal (BP).
である、 ことを特徴とする請求項1に記載のIII 族窒化物半導体
発光素子。5. The group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the main crystal is a boron-gallium phosphide crystal.
晶である、 ことを特徴とする請求項1に記載のIII 族窒化物半導体
発光素子。6. The group III nitride semiconductor light-emitting device according to claim 1, wherein the main crystal is a boron-phosphide-indium crystal.
を持つ緩衝層を重層させて形成した、 ことを特徴とする請求項1に記載のIII 族窒化物半導体
発光素子。7. The group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein said buffer layer is formed by laminating buffer layers having different proportions of main crystals.
介在層を設けた、 ことを特徴とする請求項1に記載のIII 族窒化物半導体
発光素子。8. The group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein an intervening layer is provided between the buffer layer and the light emitting portion constituting layer.
発光素子。9. The group III nitride semiconductor light emitting device according to claim 8, wherein said intervening layer is a composition gradient layer.
下の低温で成長させた低温緩衝層である、 ことを特徴とする請求項1から9のいずれかに記載のII
I 族窒化物半導体発光素子。10. The II according to claim 1, wherein the buffer layer is a low-temperature buffer layer grown at a low temperature of not less than 250 ° C. and not more than 600 ° C.
Group I nitride semiconductor light emitting device.
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