JP2001313421A - 半導体発光素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 消費電力及び動作電圧の低い半導体発光素子
の低コスト化が困難であった。 【解決手段】 低抵抗のシリコンから成る基板１１の上
にＡｌＮから成る第１の層１２ａとＧａＮから成る第２
の層１２ｂとを交互に複数積層した複合層構造のバッフ
ァ層１２を設ける。バッファ層１２の上に窒化ガリウム
から成るｎ形半導体領域１３、窒化ガリウムインジウム
からなる活性層１４、窒化ガリウムから成るｐ形半導体
領域１５を順次に形成する。ｐ形半導体領域１５の上に
アノード電極１７を設け、基板１１にカソード電極１８
を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は窒化ガリウム系化合
物半導体を用いた半導体発光素子及びその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＧａＡｌＮ
（窒化ガリウム アルミニウム）、ＩｎＧａＮ（窒化イ
ンジウム ガリウム）、ＩｎＧａＡｌＮ（窒化インジウ
ム ガリウム アルミニウム）等の窒化ガリウム系化合
物半導体を用いた例えば青色発光ダイオード等の半導体
発光素子は公知である。従来の典型的な発光素子は、サ
ファイアから成る絶縁性基板、この絶縁性基板の一方の
主面（上面）に形成された例えば日本の特開平４‐２９
７０２３号公報に開示されてＧａ_xＡｌ_1-xＮ（但し、ｘ
は０＜ｘ≦１の範囲の数値である。）から成るバッファ
層、このバッファ層の上にエピタキシャル成長によって
形成された窒化ガリウム系化合物半導体（例えばＧａ
Ｎ）から成るｎ形半導体領域、このｎ形半導体領域の上
にエピタキシャル成長法によって形成された窒化ガリウ
ム系化合物半導体（例えばＩｎＧａＮ）から成る活性
層、及びこの活性層の上にエピタキシャル成長法によっ
て形成されたｐ形半導体領域を備えている。カソ−ド電
極はｎ形半導体領域に接続され、アノ−ド電極はｐ形半
導体領域に接続されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、発光素子
は、周知のように多数の素子の作り込まれたウエハをダ
イシング、スクライビング、劈開 (cleavage)等によっ
て切り出して製作される。この時、サファイアから成る
絶縁性基板は硬度が高いため、このダイシングを良好に
且つ生産性良く行うことが困難であった。また、サファ
イアは高価であるため、発光素子のコストが高くなっ
た。また、サファイアから成る基板は絶縁体であるた
め、カソ−ド電極を基板に形成することができなかっ
た。このため、ｎ形半導体領域の一部を露出させ、ここ
にカソ−ド電極を接続することが必要になり、半導体基
体の面積即ちチップ面積が比較的大きくなり、その分発
光素子のコストが高くなった。また、サファイア基板を
使用した従来の発光素子では、ｎ形半導体領域の垂直方
向のみならず、水平方向即ちサファイア基板の主面に沿
う方向にも電流が流れる。このｎ形半導体領域の水平方
向の電流が流れる部分の厚みは４〜５μｍ程度と極めて
薄いため、ｎ形半導体領域の水平方向の電流通路の抵抗
はかなり大きなものとなり、消費電力及び動作電圧の増
大を招いた。更に、このｎ形半導体領域のカソ−ド電極
の接続部分を露出させるために活性層及びｐ形半導体領
域をエッチングによって削り取ることが必要になり、エ
ッチングの精度を考慮してｎ形半導体領域は予め若干肉
厚に形成しておく必要があった。このためｎ形半導体領
域のエピタキシャル成長の時間が長くなり、生産性が低
かった。また、サファイア基板の代りにシリコンカーバ
イド（ＳｉＣ）から成る導電性基板を用いた発光素子が
知られている。この発光素子においては、カソ−ド電極
を導電性基板の下面に形成できる。このため、サファイ
ア基板を使用した発光素子に比べて、ＳｉＣ基板を使用
した発光素子は、チップ面積の縮小が図られること、劈
開によりウエハの分離が簡単化する等の利点はある。し
かし、ＳｉＣはサファイアよりも一段と高価であるため
発光素子の低コスト化が困難である。また、ＳｉＣ基板
の上にｎ形半導体領域を低抵抗接触させることが困難で
あり、この発光素子の消費電力及び動作電圧がサファイ
ア基板を使用した発光素子と同様に比較的高くなった。

【０００４】そこで、本発明の目的は、生産性及び性能
の向上及びコストの低減を図ることができる半導体発光
素子及びその製造方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し、上記
目的を達成するための本発明を、実施形態を示す図面の
符号を参照して説明する。なお、ここでの参照符号は、
本願発明の理解を助けるために付されており、本願発明
を限定するものではない。本発明に従う窒化ガリウム系
化合物半導体を有する半導体発光素子は、不純物を含む
シリコン又はシリコン化合物から成り、且つ低い抵抗率
を有している基板（11）と、前記基板（11）の一方の主
面上に配置され、Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（但しｘは０＜ｘ≦１
を満足する数値である。）から成る第１の層とＧａＮ又
はＡｌ_yＧａ_{1 -y}Ｎ（但し、ｙはｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を
満足する数値である。）から成る第2の層との複合層か
ら成っているバッファ層（12）と、発光機能を得るため
に前記バッファ層（12）の上に配置された複数の窒化ガ
リウム系化合物層を含んでいる半導体領域（10）と、前
記半導体領域（10）の表面上の一部に配置された第１の
電極（17）と、前記基板（11）の他方の主面に配置され
た第２の電極（18）とを備えている。

【０００６】なお、請求項２に示すように、前記半導体
領域（10）は、前記バッファ層（1２）の上に配置され
た窒化ガリウム系化合物から成る第1の導電形の第1の半
導体領域（13）と、前記第1の半導体領域（13）の上に
配置された活性層（14）と、前記活性層（14）の上に配
置された窒化ガリウム系化合物から成り且つ前記第1の
導電形と反対の第2の導電形を有している第2の半導体領
域（15）とを備えていることが望ましい。また、請求項
３に示すように、前記バッファ層（12）は、Ａｌ_xＧａ
_1-xＮから成る複数の第１の層（12ａ）と、ＧａＮ層又
はＡｌ_yＧａ_1-yＮから成る複数の第2の層（12ｂ）とを
有し、前記第1の層（12ａ）と前記第２の層（12ｂ）と
が交互に積層されていることが望ましい。また、請求項
４に示すように、前記バッファ層（12）における前記複
数の第1の層（12ａ）のそれぞれの厚みが５×１０^-4μ
ｍ〜１００×10^-4μｍ、及び前記複数の第2の層（12
ｂ）のそれぞれの厚みが５×10^-4μｍ〜２０００×１０
^-4μｍであることが望ましい。また、請求項５に示すよ
うに、不純物を含み且つ低い抵抗率を有しているシリコ
ン単結晶から成る基板（11）を用意する工程と、前記基
板（11）上に、気相成長法によってＡｌ_xＧａ_1-xＮ（但
し、ｘは０＜ｘ≦１を満足する数値である。）から成る
第１の層（12ａ）とＧａＮ又はＡｌｙＧａ1-ｙＮ(但し
ｙはｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を満足する数値である。)か
ら成る第２の層（12ｂ）とを交互に形成してバッファ層
（1２）を得る工程と、 前記バッファ層（12）上に発光
機能を得るための複数の窒化ガリウム系化合物層から成
る半導体領域（10）を気相成長法で形成する工程と、前
記半導体領域（10）の表面上の一部に第１の電極（17）
を形成し、前記基板（11）の他方の主面に第２の電極
（18）を形成する工程とを有して半導体発光素子を製造
することが望ましい。

【０００７】

【発明の効果】各請求項の発明は次の効果を有する。 （１） 基板が比較的安価なシリコン又はシリコン化合
物であるので、発光素子のコストを低減させることがで
きる。 （２） Ａｌ_x Ｇａ_1-x Ｎから成る第１の層とＧａＮ又
はＡｌ_yＧａ_1-yＮから成る第２の層との複合層から成る
バッファ層は、この上に形成する窒化ガリウム系化合物
の結晶性及び平坦性の改善に寄与する。従って、安価な
基板を使用しているにも拘らず、良好な発光特性即ち発
光効率を有する発光素子を提供することができる。 （３） バッファ層はＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎから成る第１の
層とＧａＮ又はＡｌ_yＧａ_1-yＮから成る第２の層との複
合層であるので、このバッファ層の熱膨張係数はシリコ
ン又はこの化合物から成る基板の熱膨張係数とＧａＮ系
化合物から成る半導体領域の熱膨張係数との中間の値を
有し、基板と半導体領域との熱膨張係数の差に起因する
歪みの発生を抑制することができる。 （４） 第１及び第２の電極は互いに対向するように配
置されているので、電流経路の抵抗値を下げて消費電力
及び動作電圧を小さくすることができる。 （５） 第２の電極は基板に接続されているので、この
形成作業が容易になる。また、請求項２の発明によれ
ば、発光特性の良い素子を提供できる。また、請求項３
の発明によれば、シリコンとの格子定数の差が比較的小
さいＡｌ_x Ｇａ_1-x Ｎから成る第１の層が基板上に配置
され且つこれがＧａＮ又はＡｌ _yＧａ_1-yＮから成る第２
の層の相互間にも配置されるので、バッファ層の平坦性
が良くなり、半導体領域の結晶性も良くなる。また、請
求項４の発明によれば、バッファ層の第１の層が量子力
学的なトンネル効果を生じる厚みに設定されているの
で、バッファ層の抵抗値の増大を抑えて消費電力及び動
作電圧を低くすることができる。また、請求項５の発明
によれば、特性の良い半導体発光素子を安価且つ容易に
形成することができる。

【０００８】

【実施形態】次に、図１及び図２を参照して本発明の実
施形態に係わる半導体発光素子としての窒化ガリウム系
化合物青色発光ダイオードを説明する。

【０００９】図１及び図２に示す本発明の実施形態に従
う青色発光ダイオードは、発光機能を得るための複数の
窒化ガリウム系化合物層から成る半導体領域１０と、結
晶面（111）を有するシリコン半導体から成る基板１１
と、バッファ層１２とを有している。発光機能を有する
半導体領域１０は、ＧａＮ（窒化ガリウム）から成る第
１の半導体領域としてのｎ形半導体領域１３、ｐ形のＩ
ｎＧａＮ（窒化インジウム ガリウム）から成る発光層
即ち活性層１４、及び第２の半導体領域としてのＧａＮ
（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体領域１５とから成
る。基板１１とバッファ層１２と発光機能を有する半導
体領域１０との積層体から成る基体１６の一方の主面
（上面）即ちｐ形半導体領域１５の表面上に第１の電極
としてのアノード電極１７が配置され、この基体１６の
他方の主面（下面）即ち基板１１の他方の主面に第２の
電極としてのカソード電極１８が配置されている。バッ
ファ層１２、ｎ形半導体領域１３、活性層１４、及びｐ
形半導体領域１５は、基板１１の上に順次にそれぞれの
結晶方位を揃えてエピタキシャル成長させたものであ
る。

【００１０】基板１１は、導電形決定不純物を含むシリ
コン単結晶から成る。この基板１１の不純物濃度は、５
×１０¹⁸ｃｍ^-3〜５×１０¹⁹ｃｍ^-3程度であり、この基
板１１の抵抗率は０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・
ｃｍ程度である。この実施形態の基板１１はＡｓ(砒素)
が導入されたｎ形シリコンから成る。抵抗率が比較的低
い基板１１はアノ−ド電極１７とカソード電極１８との
間の電流通路として機能する。また、基板１１は、比較
的厚い約３５０μｍの厚みを有し、ｐ形半導体領域１
５、活性層１４及びｎ形半導体領域１３から成る発光機
能を有する半導体領域１０及びバッファ層１２の支持体
として機能する。

【００１１】基板１１の一方の主面全体を被覆するよう
に配置されたバッファ層１２は、複数の第１の層１２ａ
と複数の第２の層１２ｂとが交互に積層された複合層か
ら成る。図１及び図２では、図示の都合上、バッファ層
１２が２つの第１の層１２ａと２つの第２の層１２ｂと
で示されているが、実際には、バッファ層１２は、５０
個の第１の層１２ａと５０個の第２の層１２ｂとを有す
る。第１の層１２ａは、化学式Ａｌ_xＧａ_1-xＮ（但し、
ｘは０＜ｘ≦１を満足する任意の数値である。）で示す
ことができる材料で形成される。即ち、第１の層１２ａ
は、ＡｌＮ(窒化アルミニウム)又はＡｌＧａＮ（窒化ア
ルミニウム ガリウム）で形成される。図１及び図２の
実施形態では、前記式のｘが１とされた材料に相当する
ＡｌＮ（窒化アルミニウム）が第１の層１２ａに使用さ
れている。第１の層１２ａは、絶縁性を有する極薄い膜
である。第２の層１２ｂは、ＧａＮ（窒化ガリウム）又
は化学式Ａｌ_yＧａ_1-yＮ（但し、ｙは、ｙ＜ｘ及び０＜
ｙ＜１を満足する任意の数値である。）で示すことがで
きる材料から成るｎ形半導体の極く薄い膜である。第２
の層１２ｂとしてＡｌ_yＧａ_1-yＮから成るｎ形半導体を
使用する場合には、第２の層１２ｂの電気抵抗の増大を
抑えるために、ｙを０＜ｙ＜０．８を満足する値即ち０
よりも大きく且つ０．８よりも小さくすることが望まし
い。バッファ層１２の第１の層１２ａの厚みは、好まし
くは5×１０^-4μｍ〜１００×1０^-4μｍ即ち５〜１００
オングストロ−ム、より好ましくは１０×1０^-4μｍ〜
８０×１０^-4μｍである。第１の層１２ａの厚みが５×
１０^-4μｍ未満の場合にはバッファ層１２の上面に形成
されるｎ形半導体領域１３の平坦性が良好に保てなくな
る。第１の層１２ａの厚みが１００×１０^-4μｍを超え
ると、量子力学的トンネル効果を良好に得ることができ
なくなり、バッファ層１２の電気的抵抗が増大する。第
２の層１２ｂの厚みは、好ましくは５×１０^-4μｍ〜２
０００×１０^-4μｍ即ち５〜２０００オングストロ−ム
であり、より好ましくは１０×１０^-4μｍ〜３００×１
０^-4μｍである。第２の層１２ｂの厚みが５×１０^-4μ
ｍ即ち５オングストロ−ム未満の場合には、第２の層１
２ｂの上に形成される一方の第１の層１１ａと第２の層
１２ｂの下に形成される他方の第１の層１１ａとの間の
電気的接続が良好に達成されず、バッファ層１２の電気
的抵抗が増大する。第２の層１２ｂの厚みが２０００×
１０^-4μｍ即ち２０００オングストロ−ムを超えた場合
には、ｎ形半導体領域１３の平坦性が良好に保てなくな
る。図１及び図２の実施形態では、第１の層１２ａ及び
第２の層１２ｂの厚みがそれぞれ５０×１０^-4μｍ即ち
５０オングストロ−ムであり、バッファ層１２の全体の
厚みが５０００×１０^-4μｍ即ち５０００オングストロ
−ムである。

【００１２】次に、第１の層１２ａがＡＩＮ、第２の層
がＧａＮとされた半導体発光素子の製造方法を説明す
る。図１及び図２に示す１実施形態のバッファ層１２
は、周知のＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Va
por Deposition）即ち有機金属化学気相成長法によっ
てＡｌＮから成る第１の層１２ａとＧａＮから成る第２
の層１２ｂとを繰返して積層することによって形成され
る。即ち、シリコン単結晶の基板１１をＭＯＣＶＤ装置
の反応室内に配置し、まず、サーマルアニーリングを施
して表面の酸化膜を除去する。次に、反応室内にＴＭＡ
（トリメチルアルミニウム）ガスとＮＨ ₃ （アンモニ
ア）ガスを約２７秒間供給して、基板１１の一方の主面
に厚さ約５０×１０^-4μｍ即ち約５０オングストローム
のＡｌＮ層から成る第１の層１２ａを形成する。本実施
例では基板１１の加熱温度を１１２０℃とした後に、Ｔ
ＭＡガスの流量即ちＡｌの供給量を約６３μｍｏｌ／
分、ＮＨ₃ ガスの流量即ちＮＨ ₃ の供給量を約０．１４
ｍｏｌ／分とした。続いて、基板１１の加熱温度を１１
２０℃とし、ＴＭＡガスの供給を止めてから反応室内に
ＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスとＮＨ₃ （アンモニ
ア）ガスとＳｉＨ₄ （シラン）ガスを約１５秒間供給し
て、基板１１の一方の主面に形成された上記ＡｌＮから
成る第１の層１２ａの上面に、厚さ約５０×１０^-4μｍ
即ち５０オングストロームのｎ形のＧａＮから成る第２
の層１２ｂを形成する。ここで、ＳｉＨ₄ガスは形成膜
中にｎ形不純物としてのＳｉを導入するためのものであ
る。本実施例では、ＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量
を約６３μｍｏｌ／分、ＮＨ₃ ガスの流量即ちＮＨ₃ の
供給量を約０．１４ｍｏｌ／分、ＳｉＨ₄ ガスの流量即
ちＳｉの供給量を約２１ｎｍｏｌ／分とした。本実施例
では、上述のＡｌＮから成る第１の層１２ａとＧａＮか
ら成る第２の層１２ｂの形成を５０回繰り返してＡｌＮ
から成る第１の層１２ａとＧａＮから成る第２の層１２
ｂとが交互に１００層積層されたバッファ層１２を形成
する。勿論ＡｌＮから成る第１の層１２ａ、ＧａＮから
成る第２の層１２ｂをそれぞれ２５層等の任意の数に変
えることもできる。

【００１３】次に、バッファ層１２の上面に周知のＭＯ
ＣＶＤ法によってｎ形半導体領域１３、活性層１４及び
ｐ形半導体領域１５を順次連続して形成する。即ち、上
面にバッファ層１２が形成された基板１１をＭＯＣＶＤ
装置の反応室内に配置して、反応室内にまずトリメチル
ガリウムガス即ちＴＭＧガス、ＮＨ₃（アンモニア）ガ
ス、ＳｉＨ₄ （シラン）ガスを供給してバッファ層１２
の上面にｎ形半導体領域１３を形成する。ここで、シラ
ンガスはｎ形半導体領域１３中にｎ形不純物としてのＳ
ｉを導入するためのものである。本実施例ではバッファ
層１２が形成された基板１１の加熱温度を１０４０℃と
した後、ＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量を約４．３
μmol ／分、ＮＨ₃ ガスの流量即ちＮＨ₃ の供給量を約
５３．６ｍmol ／分、シランガスの流量即ちＳｉの供給
量を約１．５ｎmol ／分とした。また、本実施例では、
ｎ形半導体領域１３の厚みを約２μｍとした。従来の一
般的発光ダイオードの場合には、ｎ形半導体領域の厚み
が約４．０〜５．０μｍであるから、これに比べて図１
の本実施例のｎ形半導体領域１３はかなり肉薄に形成さ
れている。また、ｎ形半導体領域１３の不純物濃度は約
３×１０¹⁸ｃｍ^-3であり、基板１１の不純物濃度よりは
十分に低い。尚、本実施例によればバッファ層１２が介
在しているので、１０４０℃のような比較的高い温度で
ｎ形半導体層１３を形成することが可能になる。

【００１４】続いて、基板１１の加熱温度を８００℃と
し、反応室内にＴＭＧガス、アンモニアガスに加えてト
リメチルインジウムガス（以下、ＴＭＩガスという）と
ビスシクロペンタジェニルマグネシウムガス（以下、Ｃ
ｐ₂ Ｍｇガスという。）を供給してｎ形半導体領域１３
の上面にｐ形ＩｎＧａＮ（窒化インジウム ガリウム）
から成る活性層１４を形成する。ここで、Ｃｐ₂ Ｍｇガ
スは活性層１４中にｐ形導電形の不純物としてのＭｇ
（マグネシウム）を導入するためのものである。本実施
例では、ＴＭＧガスの流量を約１．１μmol ／分、ＮＨ
₃ガスの流量を約６７ｍmol ／分、ＴＭＩガスの流量即
ちＩｎの供給量を約４．５μmol ／分、Ｇｐ2 Ｍｇガス
の流量即ちＭｇの供給量を約１２ｎmol ／分とした。ま
た、活性層１４の厚みは約２０×１０^-4μｍ即ち２０オ
ングストロ−ムとした。なお、活性層１４の不純物濃度
は約３×１０¹⁷ｃｍ^-3である。

【００１５】続いて、基板１１の加熱温度を１０４０℃
とし、反応室内にＴＭＧガス、アンモニアガス及びＣｐ
₂ Ｍｇガスを供給して活性層１４の上面にｐ形ＧａＮ
（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体領域１５を形成す
る。本実施例では、この時のＴＭＧガスの流量を約４．
３μmol ／分、アンモニアガスの流量を約５３．６μmo
l ／分、Ｃｐ₂ Ｍｇガスの流量を約０．１２μmol ／分
とした。また、ｐ形半導体領域１５の厚みは約０．５μ
ｍとした。なお、ｐ形半導体領域１５の不純物濃度は約
３×１０¹⁸ｃｍ^-3である。

【００１６】上記のＭＯＣＶＤ成長方法によれば、シリ
コン単結晶から成る基板１１の結晶方位を良好に引き継
いでいるバッファ層１２を形成することができる。ま
た、バッファ層１２の結晶方位に対してｎ形半導体領域
１３、活性層１４及びｐ形半導体領域１５の結晶方位を
揃えることができる。

【００１７】第１の電極としてのアノード電極１７は、
例えばニッケルと金を周知の真空蒸着法等によって半導
体基体１６の上面即ちｐ形半導体領域１５の上面に付着
させることによって形成し、ｐ形半導体領域１５の表面
に低抵抗接触させる。このアノード電極１７は図２に示
すように円形の平面形状を有しており、半導体基体１６
の上面のほぼ中央に配置されている。半導体基体１６の
上面のうち、アノード電極１７の形成されていない領域
１９は、光取り出し領域として機能する。

【００１８】第２の電極としてのカソード電極１８は、
ｎ形半導体領域１３に形成せずに、例えばチタンとアル
ミニウムを周知の真空蒸着法等によって基板１１の下面
全体に形成する。

【００１９】図１の青色発光ダイオードを外部装置に取
付ける時には、例えばカソード電極１８を回路基板等の
外部電極に対して半田又は導電性接着剤で固着し、アノ
ード電極１７を周知のワイヤボンディング方法によって
外部電極に対してワイヤで電気的に接続する。

【００２０】本実施例の青色発光ダイオードによれば、
次の効果が得られる。 （１） サファイアに比べて著しく低コストであり且つ
加工性も良いシリコンから成る基板１１を使用すること
ができるので、材料コスト及び生産コストの削減が可能
である。このため、ＧａＮ系発光ダイオードのコスト低
減が可能である。 （２） 基板１１がシリコンであるので、基板１１内に
他の電子素子を形成することができ、ＧａＮ系半導体発
光素子がその他の半導体素子と同一の半導体基板内に集
積された半導体集積回路を容易に実現できる。図３はシ
リコンから成る基板１１にトランジスタ、ダイオード等
の半導体素子２０を形成した半導体装置を示す。半導体
素子２０は、素子分離用Ｐ形半導体領域２１の中に配置
されている。このように半導体発光素子を集積回路の一
部とすれば、発光素子を含む回路装置の小型化及びコス
トの低減を図ることができる。なお、図３において図１
と実質的に同一の部分には同一の符号が付されている。
またＥはエミッタ、Ｂはベ−ス、Ｃはコレクタを示す。 （３） 発光特性が良好であり、且つ消費電力及び動作
抵抗が小さい青色発光ダイオードを実現することができ
る。この作用効果を詳述すると、次のとおりである。 （３−１）基板１１の一方の主面に形成されたＡｌＮか
ら成る第１の層１２ａ及びＧａＮから成る第２の層１２
ｂとの複合層から成るバッファ層１２が、シリコンから
成る基板１１の結晶方位を良好に引き継ぐことができ
る。また、バッファ層１２の一方の主面に、ｎ形半導体
領域１３、活性層１４及びｐ形半導体領域１５からなる
ＧａＮ系半導体領域１０を結晶方位を揃えて良好に形成
することができる。このため、ＧａＮ系半導体領域１０
の特性が良くなり、発光特性も良くなる。 （３−２）ＡｌＮから成る第１の層１２ａ及びＧａＮか
ら成る第２の層１２ｂが複数積層されて成るバッファ層
１２を介して半導体領域１０を形成すると、半導体領域
１０の平坦性が良くなる。即ち、シリコンから成る基板
１１の一方の主面に、もしＧａＮ半導体層のみによって
構成されたバッファ層を形成した場合、シリコンとＧａ
Ｎとは格子定数の差が大きいため、このバッファ層の上
面に平坦性に優れたＧａＮ系半導体領域を形成すること
はできない。一方、本実施例の青色発光ダイオードによ
れば、基板１１とＧａＮ系半導体領域１０との間にシリ
コンとの格子定数差が比較的小さいＡｌＮから成る第１
の層１２ａとＧａＮから成る第２の層１２ｂとの複合層
からなるバッファ層１２が介在しているため、ＧａＮ系
半導体領域１０の平坦性が良くなる。このように、Ｇａ
Ｎ系半導体領域１０の平坦性が良くなると、発光特性も
良くなる。 （３−３） アノード電極１７とカソード電極１８との
間に、アノード電極１７の電位がカソード電極１８の電
位よりも高い電圧（順方向電圧）を印加すると、アノー
ド電極１７とカソード電極１８との間に半導体基体１６
の厚み方向（縦方向）に順方向電流が流れる。このた
め、従来のサファイア基板を使用した発光ダイオ−ドに
おいて生じた水平方向に流れる電流成分が、図１のｎ形
半導体領域１３に生じない。また、アノード電極１７が
半導体基体１６の上面のほぼ中央に配置されており、カ
ソード電極１８が半導体基体１６の下面の全面に形成さ
れているため、アノード電極１７からカソード電極１８
に流れる電流の経路を半導体基体１６の側面側にまで広
げることができる。この結果、消費電力及び動作電圧を
小さくすることが可能になる。 （３−４） バッファ層１２に含まれているＡｌＮから
成る複数の第１の層１２ａがいずれも量子力学的なトン
ネル効果の生じる厚さに設定されているので、バッファ
層１２の抵抗の増大を抑えることができる。即ち、Ａｌ
Ｎから成る第１の層１２ａは絶縁性を有しているので、
もし、これを厚く形成するとバッファ層１２の抵抗が増
大する。しかし、本実施例の青色発光ダイオードでは、
ＡｌＮから成る複数の第１の層１２ａの厚みがいずれも
量子力学的なトンネル効果の生じる厚みに設定されてお
り、且つ第１の層１２ａが導電性を有するＧａＮから成
る第２の層１２ｂに隣接配置されているので、バッファ
層１２の抵抗を十分に小さくすることができる。この結
果、消費電力及び動作抵抗を低くすることができる。 （４） 基板１１とＧａＮ半導体領域１０との熱膨張係
数差に起因する歪みの発生を抑制できる。即ち、シリコ
ンの熱膨張係数とＧａＮの熱膨張係数とは大きく相違す
るため、両者を直接に積層すると熱膨張係数差に起因す
る歪みが発生し易い。しかし、本実施例の青色発光ダイ
オードでは、バッファ層１２がＧａＮから成る第２の層
１２ｂとこれよりも熱膨張係数の小さいＡｌＮから成る
第１の層１２ａとの複合層から成るので、バッファ層１
２の熱膨張係数を基板１１の熱膨張係数とＧａＮ半導体
領域１０の熱膨張係数との中間の値にすることができ
る。このため、このバッファ層１２によって基板１１と
ＧａＮ半導体領域１０との熱膨張係数の差に起因する歪
みの発生を抑制することができる。 （５） 従来のサファイア基板を使用した発光素子に比
べてカソ−ド電極１８の形成が容易になる。即ち、従来
のサファイア基板を使用した発光素子の場合は、図１及
び図２のｐ形半導体領域１５及び活性層１４に相当する
ものの一部を除去してｎ形半導体領域１３の一部を露出
させ、この露出したｎ形半導体領域１３にカソ−ド電極
を接続することが必要になった。このため、従来の発光
素子は、カソ−ド電極が形成しにくいという欠点、及び
カソ−ド電極を形成するためにｎ形半導体領域の面積が
大きくなるという欠点があった。図１及び図２の発光素
子は上記欠点を有さない。

【００２１】

【変形例】本発明は上述の実施形態に限定されるもので
なく、例えば次の変形が可能なものである。 （１） 基板１１を単結晶シリコン以外の多結晶シリコ
ン又はＳｉＣ等のシリコン化合物とすることができる。 （２） 半導体基体１６の各層の導電形を実施例と逆に
することができる。 （３） ｎ形半導体領域１３、活性層１４及びｐ形半導
体領１５のそれぞれを、複数の半導体領域の組み合せで
構成することができる。

【００２２】

【産業上の利用の可能性】本発明によれば,抵抗及び電
力損失の少ない発光ダイオード等の発光素子を提供する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に従うの発光ダイオードを示
す中央縦断面図である。

【図２】図１の発光ダイオードの斜視図である。

【図３】基板に半導体素子が形成された半導体装置を示
す断面図である。

【符号の説明】

１０ ＧａＮ系半導体領域 １１ シリコン単結晶から成る基板 １２ バッファ層 １２ａ ＡｌＮから成る第１の層 １２ｂ ＧａＮから成る第２の層 １３ ｎ形半導体領域 １４ 活性層 １５ ｐ形半導体領域 １６ 基体 １８ アノード電極 １９ カソード電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柳原 将貴 埼玉県新座市北野三丁目６番３号 サンケ ン電気株式会社内 (72)発明者 菊池 正明 山梨県甲府市屋形３−３−１ サンマリ− ナ屋形203 Ｆターム(参考） 5F041 AA24 AA40 AA47 CA33 CA34 CA40 CA65

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 窒化ガリウム系化合物半導体を有する半
   導体発光素子であって、 不純物を含むシリコン又はシリコン化合物から成り、且
   つ低い抵抗率を有している基板（11）と、 前記基板（11）の一方の主面上に配置され、Ａｌ_xＧａ
   _1-xＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１を満足する数値であ
   る。）から成る第１の層とＧａＮ又はＡｌ_yＧａ_1-yＮ
   （但し、ｙはｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を満足する数値であ
   る。）から成る第2の層との複合層から成っているバッ
   ファ層（12）と、 発光機能を得るために前記バッファ層（12）の上に配置
   された複数の窒化ガリウム系化合物層を含んでいる半導
   体領域（10）と、 前記半導体領域（10）の表面上の一部に配置された第１
   の電極（17）と、 前記基板（11）の他方の主面に配置された第２の電極
   （18）とを備えていることを特徴とする半導体発光素
   子。
2. 【請求項２】 前記半導体領域（10）は、 前記バッファ層（1２）の上に配置された窒化ガリウム
   系化合物から成る第1の導電形の第1の半導体領域（13）
   と、 前記第1の半導体領域（13）の上に配置された活性層（1
   4）と、 前記活性層（14）の上に配置された窒化ガリウム系化合
   物から成り且つ前記第1の導電形と反対の第2の導電形を
   有している第2の半導体領域（15）とを備えていること
   を特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 【請求項３】 前記バッファ層（12）は、Ａｌ_xＧａ_1-x
   Ｎから成る複数の第１の層（12ａ）と、ＧａＮ層又はＡ
   ｌ_yＧａ_1-yＮから成る複数の第2の層（12ｂ）とを有
   し、前記第1の層（12ａ）と前記第２の層（12ｂ）とが
   交互に積層されていることを特徴とする請求項１記載の
   半導体発光素子。
4. 【請求項４】 前記バッファ層（12）における前記複数
   の第1の層（12ａ）のそれぞれの厚みが５×１０^-4μｍ
   〜１００×１０^-4μｍ、及び前記複数の第2の層（12
   ｂ）のそれぞれの厚みが５×１０^-4μｍ〜２０００×１
   ０^-4μｍであることを特徴とする請求項１記載の半導体
   発光素子。
5. 【請求項５】 窒化ガリウム系化合物半導体を有する半
   導体発光素子の製造方法であって、 不純物を含み且つ低い抵抗率を有しているシリコン単結
   晶から成る基板（11）を用意する工程と、 前記基板（11）上に、気相成長法によってＡｌ_xＧａ_1-x
   Ｎ（但し、ｘは０＜ｘ≦１を満足する数値である。）か
   ら成る第１の層（12ａ）とＧａＮ又はＡｌ_yＧａ_1-yＮ
   (但しｙはｙ＜ｘ及び０＜ｙ＜１を満足する数値であ
   る。）から成る第２の層（12ｂ）とを交互に形成してバ
   ッファ層（1２）を得る工程と、 前記バッファ層（12）上に、発光機能を得るための複数
   の窒化ガリウム系化合物層から成る半導体領域（10）を
   気相成長法で形成する工程と、 前記半導体領域（10）の表面上の一部に第１の電極（1
   7）を形成し、前記基板（11）の他方の主面に第２の電
   極（18）を形成する工程とを有していることを特徴とす
   る半導体発光素子の製造方法。