JP3577463B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光ダイオード - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＳｉ単結晶を基板とするIII族窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）にあって、単結晶基板に因る発光の吸収を低減した高発光強度のｐｎ接合ヘテロ構造型III族窒化物半導体発光ＬＥＤに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来素子駆動電源の入・出力に優位となる導電性並びに個別の素子に裁断するに利便な劈開性を呈する代表的な半導体基板材料として、珪素（Ｓｉ）単結晶が周知である。最近では、珪素単結晶（シリコン）を基板としてＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）を構成する技術が開示されている（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，３３（２３）（１９９７）、１９８６〜１９８７頁参照）。
【０００３】
Ｓｉ単結晶を基板とするＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤには、例えば窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_ａＧａ_１−ａＮ：０≦ａ≦１）と窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_ａＩｎ_１−ａＮ：０≦ａ≦１）から構成されるｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）構造の発光部が備えられている（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７２（４）（１９９８）、４１５〜４１７頁参照）
【０００４】
基板となるＳｉ単結晶と発光部を構成するＩＩＩ族窒化物半導体とは、格子不整合の関係にある。従来技術としてはこの単結晶基板とＬＥＤ発光部との間に不整合を緩衝するために中間層を設ける提案が数多くなされている。
例えば格子不整合性を緩衝して良質の発光部構成層を得るために窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる中間層を設ける提案がある。（上記のＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，及び特開平１０−２４２５８６号公報参照）。
【０００５】
また、リン化ガリウム（ＧａＰ）やＳｉの如くの閃亜鉛鉱型（ｚｉｎｃ−ｂｌｅｎｄ）単結晶基板上にリン化硼素（ＢＰ）を緩衝層として設ける技術が知られている（特開平２−２７５６８２号；特開平２−２８８３７１号；特開平２−２８８３８８号各公報明細書参照）。
さらに、Ｓｉ単結晶基板上にチタン（Ｔｉ）等の金属膜を中間層として設ける提案もある（特開２０００−２６１０３３号公報明細書参照）。
さらにまた面方位を｛１１１｝とするＳｉ単結晶基板上に中間層として窒化チタン（ＴｉＮ）層或いはコバルト（Ｃｏ）等の窒化物層を配置する技術も開示されている（特開２０００−２８６４４９号公報明細書参照）。
【０００６】
一方、Ｓｉ単結晶の禁止帯幅は約１．１エレクトロンボルト（単位：ｅＶ）である（寺本 巌著、「半導体デバイス概論」（１９９５年３月３０日、（株）培風館発行初版、２８頁参照）。この禁止帯幅（ｂａｎｄ ｇａｐ）は、例えば、青色帯の発光に対応する遷移エネルギーと比較して半分以下と小さい。このため、Ｓｉ単結晶を基板として構成したＬＥＤでは、ＩＩＩ族窒化物半導体発光部より放射される短波長の発光がＳｉ単結晶基板に吸収されてしまう欠点がある。即ち、Ｓｉを基板材料とするＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤでは、Ｓｉ単結晶基板に因る発光の吸収が避けられないため、高輝度のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを得られ難いという問題がある。
【０００７】
Ｓｉを基板とするＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤの発光強度を高めるために、Ｓｉ基板と発光部との中間に発光を外部へ反射させるためのブラッグ（Ｂｒａｇｇ）反射（ＤＢＲ）構造層を設ける技術手段が公知となっている（Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．，Ｖｏｌ．４４９（１９９７）、７９〜８４頁参照）。従来例のＤＢＲ層は、アルミニウムの組成比（＝ａ）を相違するＡｌ_ａＧａ_１−ａＮ（０≦ａ≦１）薄層を反復して重層させた周期的積層構造から構成されている。ＤＢＲ層からの発光の反射率は、積層する周期単位を増すことにより増大させられるが、積層操作が煩雑となる問題点がある。
【０００８】
なお従来より、ＬＥＤの基板を除きＬＥＤの発光強度を向上することは数多く提案されてはいるが、単にＬＥＤより基板部を除去するとＬＥＤの機械的強度を損なうことが避けられないためリーズナブルな対応策が求められる。このためより簡便な技術手法を利用して十分な機械的強度を有する高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光ＬＥＤを得る方法の開発が要望されていた。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、Ｓｉ単結晶を基板とするＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤにあって、ＬＥＤの機械的強度を失うことなく、ＬＥＤよりＳｉ単結晶基板を除去して、発光部からの発光がＳｉ基板に吸収される度合いを低減し、高輝度のＳｉ基板系ＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤをもたらす技術手段の開発を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
即ち本発明は、
［１］ 導電性の珪素（Ｓｉ）単結晶基板の表面上に、中間層、III族窒化物半導体から構成されるｐｎ接合型ヘテロ接合構造の発光部、該単結晶基板の裏面に裏面電極、表面側の発光部上に表面電極を設けてなるIII族窒化物半導体発光ダイオードにおいて、中間層がリン（Ｐ）を含むIII−Ｖ族化合物半導体膜であり、且つ上記単結晶基板裏面の裏面電極以外の領域の珪素（Ｓｉ）単結晶基板を除去して光を取り出すための穿孔部を形成し、該穿孔部の底面に前記中間層を露出させたことを特徴とするIII族窒化物半導体発光ダイオード、
【００１１】
［２］ 導電性の珪素単結晶基板の裏面に、複数の光を取り出すための穿孔部が設けられている、ことを特徴とする上記［１］に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオード、
［３］ 基板が｛１１１｝−結晶面を表面とする導電性の｛１１１｝−珪素単結晶であり、｛１１１｝−単結晶を除去して露出させた上記の光を取り出すための穿孔部の底面が、リン化硼素（ＢＰ）から構成されている、ことを特徴とする上記［１］または［２］に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオード、
【００１２】
［４］ 光を取り出すための穿孔部の底面が、｛１１１｝−結晶面を表面とするリン化硼素から構成されている、ことを特徴とする上記［１］に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオード、
［５］ 裏面電極を設ける珪素単結晶基板の裏面から、光を取り出すための穿孔部の底部に至る深さが、８０μｍ以上で３００μｍ以下である、ことを特徴とする上記［１］乃至［４］の何れかに記載のIII族窒化物半導体発光ダイオード、
【００１３】
［６］ 中間層がＭＮ_1-XＰ_X（式中、Ｍは硼素以外のIII族元素を示し、Ｘは０＜Ｘ≦１の範囲である。）から構成したものである上記［１］に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオード、
［７］ 中間層がＢ_XＭ_1-XＰ（式中、Ｍは硼素以外のIII族元素を示し、Ｘは０＜Ｘ≦１の範囲である。）から構成したものである上記［１］に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオード、および
［８］ 中間層が、III族構成元素またはＶ族構成元素の濃度に勾配を付して組成勾配層としたものである上記［６］または［７］に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオード、を開発することにより上記の課題を解決した。
【００１４】
【発明の実施の態様】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）は、面方位を｛１００｝或いは｛１１１｝または｛１１０｝等とする導電性のＳｉ単結晶を基板として構成できる。基板としては抵抗率が１０^３Ω・ｃｍ以下、好ましくは１０^１Ω・ｃｍ以下の導電性を有するものであればｎ形、ｐ形の何れのＳｉ単結晶であっても利用できる。Ｓｉ基板の導電性を利用して裏面にオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極を敷設して簡易にＬＥＤを構成することが必要であるため、高抵抗のアンドープＳｉ単結晶は基板として好適には利用できない。
｛１１１｝の結晶面には｛１００｝等の結晶面に比較してＳｉ原子が稠密に存在しているため、面方位を｛１１１｝としたＳｉ単結晶を基板として利用したときは、中間層からのそれを構成する元素のＳｉ単結晶基板への拡散、侵入をより抑止できるので化学量論的にも均衡のとれた中間層とするに利便である。
【００１５】
Ｓｉ単結晶基板裏面のオーミック電極（裏面電極＝第１電極）を敷設する領域にあるＳｉ単結晶は残存させ、それ以外の領域のＳｉ単結晶材料は公知のエッチング技法を利用して除去する。裏面電極（第１電極）を形成する領域に限定して基板材料を残存させることとすれば、基板全体を除去する場合に比較して、残存する基板材料の保有する機械的強度を利用してより強固にＬＥＤを支持する効果がある。また、導電性の基板材料を残存させることにより、その上には低接触抵抗のオーミック性に優れる裏面電極（第１電極）がもたらされる効果がある。
【００１６】
例えば、塩素（Ｃｌ）系気体を利用してプラズマエッチング法で除去するか、または例えば、弗酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ３）との混合液を使用する湿式エッチング技法に依り除去しても良い。
即ち、上記の裏面電極を積層した以外の領域に存在するＳｉ単結晶を選択的に除去する際には、公知のフォトリソグラフィーを利用した選択パターニングを介して実行できる。Ｓｉ単結晶を除去する領域は、必要とされる裏面電極以外の領域を可及的広範囲とするのが望ましい。Ｓｉ単結晶を除去した領域の断面積を広くする程、Ｓｉ基板材料に因る発光部からの発光の吸収が避けられるために、外部へ透光できる面積が増大し、発光強度の向上に寄与できる。
【００１７】
選択パターニングを施す領域の断面形状については、上記の理由からエッチング加工穿孔の容易性と断面積の大きさ並びにＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤの機械的強度の許容する範囲内で任意の形状を選択することができる。例えば図１に示すような、裏面電極１２以外のＳｉ単結晶１１の裏面領域に円形の穿孔部１３を唯一設けてなるＬＥＤの基板１１の裏面１１ｂ側の構成がある。該円形の穿孔部は複数個配置することもできる。１例としてＳｉ単結晶基板１１の裏面１１ｂに複数の円形の穿孔部１３を設けた例を図２に示す。図１及び図２に例示した穿孔部１３の水平断面形状は円形としたが、楕円形或いは円の一部をなす様な扇形等、簡便に選択パターニングが達成され、エッチング加工を果たせる円形状であれば好適である。
【００１８】
何れの形状にしても、発光強度の増大には、穿孔部の断面の形状による影響よりも穿孔部の合計の断面積の面積に比例して発光強度が増加する。このため、Ｓｉ単結晶の除去部分の断面積を、基板の除去に因って発光部の機械的支持力が極端に低下しない程度にできるだけ広くすることが重要である。
【００１９】
また穿孔部の断面形状を例えば正方形、長方形、菱形、或いは平行四辺形などの方形とする穿孔部を設けても良い。何れも、上記の実施形態に記した円形状の穿孔部と同様に、穿孔部の断面形状をエッチング加工に依って得られ易い形状としている。
図３に｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板１１の裏面１１ｂに断面形状を長方形とする帯状の穿孔部１３を設けた場合の構成を例示する。断面形状を方形とする穿孔部を設けるにあっても、穿孔部の総断面積を、基板の除去に因って発光部の機械的支持力の極端な低下を招かない程度に広大とするのが肝要である。Ｓｉ基板を除去した断面積の拡張を期して、複数の方形状の穿孔部を設置することができる。
【００２０】
また穿孔部をいくつかの形状を連結させた帯状の穿孔部を設けることもできる。円形状と方形状の穿孔部を連結させて帯状の穿孔部としても支障はない。方形状と円形状の穿孔部とを図４に例示する如く組み合わせれば、方形状の穿孔部を単に設ける場合に比較して、より基板の除去面積を拡大でき、発光を透過できる面積の拡大が果たせる。
【００２１】
上記した何れの水平断面形状の穿孔部であっても、その周囲には、基板裏面電極としてオーミック電極を配置する。ｐ形のＳｉ基板には、金（Ａｕ）等の金属被膜を被着させて裏面ｐ形オーミック電極を形成する。ｎ形のＳｉ基板については、例えば、アルミニウム（Ａｌ）またはアルミニウム・アンチモン（Ａｌ−Ｓｂ）合金などからｎ形オーミック電極を構成できる。裏面電極は、Ｓｉ基板の裏面上の互いに孤立した位置に複数設置することもできるが、互いに電気的に連続した一体とする様に設けるのが望ましい。
【００２２】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤにおける穿孔部は、その底面を上記の中間層の結晶面とする。即ち、穿孔部を中間層を構成する部位（必要な強度を保持できる地点）に到達した時点で停止して、中間層の構成層を穿孔部の底面として露呈させる。この場合には中間層を底面とする穿孔部の深さはＳｉ単結晶基板の厚さと略同等となる。また、中間層上に設けられた発光部層の構成層を穿孔部の底面として構成することもできる。しかし、発光部構成層を底面とすべく穿孔を進行させると、発光強度は増大するが、ＬＥＤの機械的強度を支持する中間層が弱体化するためＬＥＤが全体として薄層化されるため機械的強度が劣化し、発光部を機械的に支持するに支障を来すこととなる。従って基板をなすＳｉ単結晶の穿孔部を発光部の下方の中間層で停止して、底面を中間層の構成層とすれば発光部を機械的に支持するに好都合な構成となる。
【００２３】
底面を中間層とする穿孔部は、Ｓｉ単結晶基板表面上に中間層を積層した後、中間層上に単一（ｓｉｎｇｌｅ）または２重（ｄｏｕｂｌｅ）異種（へテロ）接合の発光部を設ける以前に形成することができる。しかし、この場合も穿孔部の形成過程を積層工程の中途に挿入することが必要となるため積層工程が不連続となり工程が冗長となる。また発光部を形成した後に形成することもできる。
一方Ｓｉ単結晶基板の厚さが薄いほど、より簡単に穿孔部を形成することができる。従ってＳｉ単結晶基板上表面に積層構造体（ｐｎ接合型へテロ構造の発光部）を成長させた後、Ｓｉ単結晶基板の裏面に研磨加工を行い厚さを減じた後に穿孔すると簡単に穿孔部を形成することができる。
【００２４】
またラッピング（ｌａｐｐｉｎｇ）等の研削手段によりＳｉ単結晶基板の厚さを減少させて積層構造体全体の厚みを減少させることにより、個別素子とするための裁断が容易に行える利点がある。
Ｓｉ単結晶基板裏面の研削量を極端に大とし、徒に基板の厚さを減ずると、穿孔部の形成および個別素子への裁断は容易となるが、ＬＥＤを機械的強度を支持するには不十分となる。残存させるＳｉ基板の厚さはおおよそ３００〜８０μｍ、好ましくは２５０〜１００μｍとするのが好適である。
【００２５】
中間層を窒化チタン（ＴｉＮ）、窒化ジルコニウム（ＺｒＮ）等の高融点金属に窒化物あるいはアルミニウムや金などの単体金属から構成する手段も考慮される。
しかし、単体金属膜では発光部よりの発光が吸収される度合いが顕著に大きいため、中間層を金属膜から構成すると、中間層で発光が吸収されあるいは遮蔽され、穿孔部より外部へ放出される発光の強度が極度に低下する不都合が発生する場合がある。
【００２６】
また高融点金属の窒化物は窒素と金属元素との化学量論的な当量比に依存して着色する場合がある。従って金属窒化物材料を用いて中間層を構成するとその着色の程度により穿孔部から取り出せる発光の強度が不安定となる場合がある。ＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤの発光部を形成する一般的なＩＩＩ族窒化物半導体とほぼ同等の格子定数を有する単体金属あるいは金属窒化物は殆どない。このため、単体金属あるいは金属窒化物からなる中間層は、格子ミスマッチにより結晶性に優れる発光部を構成するＩＩＩ族窒化物半導体層を積層するには必ずしも好適とはならない。一方中間層を半導体材料から構成すると、上記のごとく金属材料などで避けられない中間層による発光の吸収を低減できる効果が得られる。
【００２７】
従って、リンを含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からは、砒素（Ａｓ）を構成元素とするＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体に比較して機械的強度に優れる強固な中間層を構成できる。また、砒化硼素（ＢＡｓ）の融点は約１０００℃であるのに対し、リン化硼素（ＢＰ）のそれは約３０００℃と高い（寺本 巌著、「半導体デバイス概論」（１９９５年３月３０日、（株）培風館発行初版、２８頁参照）。このため、リン含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からは、上層のＩＩＩ族窒化物半導体層を堆積する際の約１０００℃を越える高温での工程にも耐熱性を発揮する中間層を構成できる利点がある。
【００２８】
リン含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体には、リン化硼素（ＢＰ）、窒化リン化ガリウム（ＧａＮ_１−ＸＰ_Ｘ：０＜Ｘ≦１）、窒化リン化アルミニウム（ＡｌＮ_１−ＸＰ_Ｘ：０＜Ｘ≦１）、窒化リン化インジウム（ＩｎＮ_１−ＸＰ_Ｘ：０＜Ｘ≦１）およびリン化硼素アルミニウム（Ｂ_ＸＡｌ_１−ＸＰ：０＜Ｘ≦１）、リン化硼素ガリウム（Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ：０＜Ｘ≦１）、及びリン化硼素インジウム（Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ：０＜Ｘ≦１）等が例示できる。中間層の伝導形は基板とする導電性単結晶の伝導形に合致させるのが普通である。
【００２９】
Ｓｉ単結晶とは格子定数を異にする例えば、リン化硼素（ＢＰ）から緩衝層構成する場合、比較的低温で成長させた緩衝層（低温緩衝層）は、Ｓｉ単結晶と多層構造体の構成層との格子ミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）を緩和して結晶性に優れる構成層をもたらすのに有効に作用する。例えば、２５０℃以上５００℃以下の比較的低温で成膜したＢＰ低温緩衝層は、約１６．５％に及ぶＳｉ単結晶との格子ミスマッチ（庄野 克房著、「半導体技術（上巻）」（（財）東京大学出版会、１９９２年６月２５日発行９刷、７７頁参照）を緩和して、ミスフィット転位等の結晶欠陥密度の少ない良質の多層構造体の構成層をもたらすに効果を奏する（米国特許ＵＳ−６，０６９，０２１号参照）。
【００３０】
中間層をＩＩＩ族構成元素またはＶ族構成元素の濃度勾配を付した結晶層から構成すると、Ｓｉ単結晶基板と上層の例えば、ＩＩＩ族窒化物半導体層との格子ミスマッチを緩和するに好都合となる。例えば、Ｓｉ単結晶基板に接合する界面でのインジウム（Ｉｎ）組成比を０．６７とし、表面に向けてインジウム組成比を減少させたリン化硼素・インジウム（Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ：０＜Ｘ≦１）層からは、Ｓｉ単結晶との格子ミスマッチを緩和しつつ、上層として結晶性に優れる例えば、窒化リン化ガリウム（ＧａＮ_１−ＸＰ_Ｘ：０＜Ｘ≦１）結晶層をもたらす中間層が構成できる。格子ミスマッチに起因する転位等の結晶欠陥の少ない結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層をもたらせる組成勾配を付した中間層は、窒化リン化アルミニウム（ＡｌＮ_１−ＸＰ_Ｘ：０＜Ｘ≦１）、窒化リン化インジウム（ＩｎＮ１−ＸＰＸ：０＜Ｘ≦１）等から構成できる。
【００３１】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤの中間層における組成勾配層は、例えば窒化リン化ガリウム（ＧａＮ_１−ＸＰ_Ｘ：０＜Ｘ≦１）等の組成式ＭＮ_１−ＸＰ_Ｘ（０＜Ｘ≦１、ＭはＩＩＩ族元素を表す。）混晶であって、構成元素である窒素（Ｎ）以外のリン（Ｐ）の組成比（＝Ｘ）を層厚の増加方向に減少させ、それに対応して窒素組成比（＝１−Ｘ）を増加させて構成する。組成の勾配様式は、直線状、曲線状、或いは段階状等とすることができる（特開２０００−２２２１１号公報明細書参照）。組成勾配を有する中間層は、同層の成膜時に成長反応系内に添加する窒素、リンの供給源の添加量を経時的に変化させることにより形成できる。Ｖ族元素の組成に勾配を付した中間層は、Ｓｉ単結晶基板との格子ミスマッチを緩和して結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体層をもたらす作用を有する。
【００３２】
また、中間層はＩＩＩ族構成元素の組成に勾配を付したリン含有ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体結晶層から構成できる。特に、ＩＩＩ族構成元素として硼素（Ｂ）を含む例えば、リン化硼素ガリウム（Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ：０＜Ｘ≦１）、リン化硼素インジウム（Ｂ_ＸＩｎ_１−ＸＰ：０＜Ｘ≦１）等の組成式Ｂ_ＸＭ_１−ＸＰ（０＜Ｘ≦１、ＭはＩＩＩ族元素を表す。）で表記されるリン化硼素（ＢＰ）系混晶からＳｉ単結晶基板との格子ミスマッチを緩和するに有効な中間層を構成できる。複数のＩＩＩ族構成元素と唯一のＶ族構成元素から構成されるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体では、硼素またはその他のＩＩＩ族構成元素の組成に勾配を付して中間層を構成する。
【００３３】
特に、Ｓｉ単結晶を基板とする場合にあって、層厚の増加方向に硼素（Ｂ）の組成比（＝Ｘ）を増加させ、逆にガリウム（Ｇａ）またはインジウム（Ｉｎ）等の他のＩＩＩ族構成元素の組成比を減ずる様に組成勾配を付した組成勾配層は中間層として好適に利用できる。
【００３４】
例えば、Ｓｉ単結晶基板との接合界面での硼素組成比（＝Ｘ）を０．０２とし、表面での硼素組成比を１．０とした Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰは、Ｓｉ単結晶（格子定数＝５．４３１Å）基板に格子整合し、且つ窒素組成比を０．９７とする窒化リン化ガリウム（ＧａＮ_０．９７Ｐ_０．０３：格子定数＝４．５３８Å）にも格子整合を果たす中間層として有用となる。
ＩＩＩ族元素の組成に勾配を付した中間層は、例えば、ＭＯＣＶＤ法による中間層の成膜時に、反応系へのＩＩＩ族構成元素原料となす有機金属化合物の供給量を経時的に変化させることにより形成できる。
【００３５】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤにおいて、導電性の珪素（Ｓｉ）単結晶基板の表面上に半導体からなる中間層を介して積層されたＩＩＩ族窒化物半導体導体から構成されるｐｎ接合型ヘテロ接合構造の発光部を含み、該単結晶基板の裏面に裏面電極と表面側の発光部上に表面電極とを備えてなるＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードに於いて、上記単結晶基板裏面領域の裏面電極以外の領域の上記Ｓｉ単結晶基板を除去して形成した穿孔部は、発光部よりの発光を外部に取り出す部分を構成する。
【００３６】
本発明ＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードの穿孔部の底面を構成する中間層は、穿孔部上に設けられた発光部を強固に支持する作用を有する。
特に、本発明の穿孔部の底面のなす面方位を｛１１１｝面とした中間層は、中間層を構成する元素のＳｉ単結晶基板への拡散侵入を抑制するとともに、上部に設けられた発光部をより強固に支持する部分を構成する。
【００３７】
本発明ＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードのリン（Ｐ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜から構成される中間層は、Ｓｉ単結晶基板の裏面に穿孔を施すに際し穿孔加工に伴う損傷、浸食が発光部へ及ぶのを防止する耐化学性等に優れる中間層を形成する。
【００３８】
特に、ＩＩＩ族構成元素またはＶ族構成元素の組成に勾配を付した組成勾配層から構成した中間層は、Ｓｉ単結晶基板と上層のＩＩＩ族窒化物半導体層との格子ミズマッチを緩和して、結晶欠陥密度の小さい良質のＩＩＩ族窒化物半導体層をもたらすと共に、発光部を構成するこれらＩＩＩ族窒化物半導体層を強固に支持する作用を有する。
【００３９】
低温緩衝層および高温緩衝層からなる中間層を有するＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤは、例えば次の方法により製造することができる。
基板材料としてｎ形またはｐ形｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板を使用し、その上に設ける高温緩衝層より低温で形成される低温緩衝層および前記低温緩衝層上に設けた低温緩衝層より高温で形成される高温緩衝層からなる中間層を設ける。低温緩衝層としては、ＭＯＣＶＤ手段により約２５０〜５５０℃において低温成長させた非晶質を主体とするリン化硼素層を成長させ、次いで約７５０〜１２００℃においてＭＯＣＶＤ手段により単体のリン化硼素単結晶層を成長させる。高温緩衝層はＬＥＤの機械的強度を保持させるためのものであり、比較的機械的強度に優れたＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体から選ばれ、低温緩衝層は基板と高温緩衝層の積層を補助する化合物層を使用する。
【００４０】
中間層の上には、下部クラッド層、発光層および上部クラッド層からなる発光部を積層する。下部クラッド層は高温緩衝層に格子整合するｎ形またはｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層、例えばＢＰ高温緩衝層に整合するＧａＮ_０．９７Ｐ_０．０３結晶層を８５０〜１２００℃において設ける。その上に上記下部クラッド層よりも低温でｎ形またはｐ形のＩＩＩ族窒化物半導体層を成膜する。この発光層は量子井戸構造であっても良い。上部クラッド層は下部クラッド層とは反対の伝導系を呈するｐ形またはｎ形のＩＩＩ族窒化物半導体層とする。次にエッチングした基板残部に第１導電形電極を上部クラッド層に第２導電形電極を設けてＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤとする。
【００４１】
なお穿孔部は、基板に中間層を積層した以降、基板と中間層および発光部を積層した後の間の何れの工程において穿孔を行っても良い。なお穿孔に先立ち、Ｓｉ基板裏面をラッピングして約３００〜８０μｍの厚さに研磨した後、フッ酸および硝酸の混合液を用い約１０〜３０℃で湿式エッチングにより穿孔することが好ましい。
【００４２】
また中間層として組成勾配緩衝層を有するＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤは、例えば次の方法により製造することができる。
基板材料としてｎ形またはｐ形｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板を使用し、この基板上にリン化硼素ガリウムをＭＯＣＶＤ手段により層厚の増加方向に硼素含有量を増加した組成勾配緩衝層を成膜する。成長時にはＳｉ単結晶と同じ格子定数が得られるように硼素濃度を規制し、最終時にはその上層になる下部クラッド層と同じ程度の格子定数が得られるようにガリウム源を減量する。組成勾配緩衝層はおよそ６００〜１２００℃の温度で成長することができる。成長の際、温度は一定に保っても良いし、途中で変化させても良い。
この組成勾配緩衝層上に下部クラッド層、発光層および上部クラッド層からなる発光部を積層する。
【００４３】
下部クラッド層は、組成勾配層に格子整合するｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層であり、ＭＯＣＶＤ手段により約８５０〜１２００℃で成長させる。次いで発光層はクラッド層と格子整合するｐ形ＩＩＩ族窒化物半導体層であり、該層は量子井戸構造であっても良い。上部クラッド層はｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層であり、ＭＯＣＶＤ手段により成膜される。
第１導電形電極はアルミニウムまたはその合金を、第２導電形電極は金またはその合金を使用する。
以下実施例により具体的に説明する。
【００４４】
【実施例】
（実施例１）
裏面に円形の穿孔部を設けたＳｉ単結晶を基板としたＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを例にして本発明を具体的に説明する。図５に本実施例に係わるＬＥＤ１０の断面構造を模式的に示す。
【００４５】
基板１０１には、硼素（Ｂ）ドープｐ形（１００）−Ｓｉ単結晶を用いた。基板１０１上にはリン化硼素（ＢＰ）からなる低温緩衝層１０２を堆積した。低温緩衝層１０２はトリエチル硼素（（Ｃ_２Ｈ_５）_３Ｂ）／ホスフィン（ＰＨ_３）／水素（Ｈ_２）系常圧ＭＯＣＶＤ法により、３５０℃で成長させた。
緩衝層１０２の層厚は約１４ｎｍとした。低温緩衝層１０２の表面には、上記のＭＯＣＶＤ気相成長手段を利用して、９５０℃でマグネシウム（Ｍｇ）をドーピングしたｐ形ＢＰ層を高温緩衝層１０３として積層した。マグネシウムのドーピング源にはビスシクロペンタジエニルマグネシウム（分子式：ｂｉｓ−（Ｃ_５Ｈ_４）_２Ｍｇ）を用いた。高温緩衝層１０３のキャリア濃度は約７×１０^１８ｃｍ^−３とした。層厚は約３５０ｎｍとした。
【００４６】
高温緩衝層１０３上には、リン（Ｐ）組成比を０．０３（＝３％）とするマグネシウムドープｐ形窒化リン化ガリウム（組成式：ＧａＮ_０．９７Ｐ_０．０３）層を下部クラッド層１０４として積層した。ＧａＮ_０．９７Ｐ_０．０３層は、トリメチルガリウム（（ＣＨ_３）_３Ｇａ）／ＰＨ３／アンモニア（ＮＨ_３）／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法により９５０℃で成長させた。立方晶となったｐ形ＧａＮ_０．９７Ｐ_０．０３層のキャリア濃度は約８×１０^１７ｃｍ^−３とし、層厚は約８５ｎｍとした。
【００４７】
下部クラッド層１０４上には、ｎ形窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）からなる発光層１０５を積層させた。発光層１０５をなす珪素（Ｓｉ）ドープＧａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ層は、（ＣＨ_３）_３Ｇａ／トリメチルインジウム（（ＣＨ_３）_３Ｉｎ）／ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）／ＮＨ_３／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法により、８５０℃で成長させた。発光層１０５の平均的なインジウム（Ｉｎ）組成比は０．１０であった。発光層１０５の層厚は約８０ｎｍとした。キャリア濃度は約３×１０^１８ｃｍ^−３に設定した。
【００４８】
Ｇａ_０．９０Ｉｎ_０．１０Ｎ発光層１０５上には、アルミニウム（Ａｌ）組成に勾配を付した珪素（Ｓｉ）ドープｎ形窒化アルミニウム・ガリウム混晶（Ａｌ_γＧａ_{１− γ}Ｎ）層を上部クラッド層１０６として積層した。Ａｌ組成比（＝γ）は、層厚の増加方向に０．２から０（零）に単調に略直線的に減少させた。層厚は２００ｎｍとした。
【００４９】
上記のｐ形ＧａＮ_０．９７Ｐ_０．０３下部クラッド層１０４、ｎ形Ｇａ_０．９０Ｉｎ_０．１０Ｎ発光層１０５、及びｎ形Ａｌ_γＧａ_{１− γ}Ｎ組成勾配層からなる上部クラッド層１０６からｐｎ接合型ダブルヘテロ接合構造の発光部１０７を構成した。
【００５０】
公知のフォトリソグラフィー技術と選択エッチング技術を利用して、図６に示す如く、ｐ形Ｓｉ単結晶基板１０１の裏面の中央部を、底面の直径を約１５０μｍとする中空筒状に穿孔した。穿孔部１０９は弗酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ_３）の混合液によりＳｉ単結晶をエッチングして除去して形成した。穿孔部１０９の深さは基板１０１の層厚に相当する約３００μｍとした。エッチングは穿孔部１０９の底面１０９ａにＢＰ低温緩衝層１０２が露出する迄、進行させた。穿孔部１０９の周囲に残置させたＳｉ単結晶基板１０１上には、金（Ａｕ）被膜からなるｐ形オーミック電極１１０を配置した。上部クラッド層１０６表面の中央には、金（Ａｕ）からなる円形のオーミック電極１０８を配置した。ｎ形オーミック電極１０８の直径は約１３０μｍとした。穿孔部１０９の円形底面１０９ａの中心と表面オーミック電極１０８の水平形状の中心とは合致させた。
【００５１】
両オーミック電極１０８，１１０間にＬＥＤ駆動用電流を通流した。電流−電圧（Ｉ−Ｖ特性）は発光部１０７の良好なｐｎ接合特性に基づく正常な整流特性を示した。Ｉ−Ｖ特性から求めた順方向電圧（所謂、Ｖｆ）は約３Ｖ（順方向電流＝２０ｍＡ）となった。また、逆方向電圧は約１５Ｖ（逆方向電流＝１０μＡ）となった。順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流した際には、発光中心波長を約４７０ｎｍとする青色光が出射された。発光スペクトルの半値幅は約１８ｎｍであった。一般的な積分球を利用して測定されるチップ状態での発光強度は約１８マイクロワット（μＷ）となり、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が提供された。
【００５２】
（実施例２）
リン（Ｐ）ドープｎ形｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板２０１上に、ジボラン（分子式：Ｂ_２Ｈ_６）／（ＣＨ_３）_３Ｇａ／ＰＨ_３／Ｈ_２系減圧ＭＯＣＶＤ法で６５０℃で、硼素（Ｂ）組成比（＝Ｘ）を層厚の増加方向に増加させたリン化硼素・ガリウム（組成式：Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ）組成勾配層からなる緩衝層２０２を積層させた。成長時の反応系の圧力は約１．３×１０^４パスカル（単位：Ｐａ）に設定した。緩衝層２０２の層厚は０．８μｍとした。Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ組成勾配層２０２のＳｉ単結晶２０１との接合面での硼素（Ｂ）組成比（＝Ｘ）は、Ｓｉ単結晶と同一の格子定数（＝５．４３１Å）が得られる０．０２とした。また、表面での硼素組成比は、上層のＧａＮ_０．９７Ｐ_０．０３下部クラッド層と同一の格子定数（＝４．５３８Å）を獲る１．０とした。硼素組成比（＝Ｘ）は緩衝層２０２の層厚の増加方向に直線的に増加させた。硼素組成比はＭＯＣＶＤ反応系への硼素源としてのジボランの供給量を経時的に増量させ、逆にガリウム（Ｇａ）源としてのトリメチルガリウム（（ＣＨ_３）_３Ｇａ）の供給量を減量させて変化させた。Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ組成勾配層２０２の成長時には、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）−Ｈ_２混合ガスを使用して珪素（Ｓｉ）をドーピングした。
【００５３】
Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ組成勾配緩衝層２０２上には、リン（Ｐ）組成比を０．０３（＝３％）とする珪素（Ｓｉ）ドープｎ形窒化リン化ガリウム（組成式：ＧａＮ_０．９７Ｐ_０．０３）層を下部クラッド層２０４として積層した。ＧａＮ_０．９７Ｐ_０．０３層は、トリメチルガリウム（分子式：（ＣＨ_３）_３Ｇａ）／ＰＨ_３／ＮＨ_３／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法により９５０℃で成長させた。立方晶のｎ形ＧａＮ_０．９７Ｐ_０．０３層のキャリア濃度は約８×１０^１７ｃｍ^−３とし、層厚は約８５ｎｍとした。
【００５４】
下部クラッド層２０４上には、ｎ形窒化ガリウム・インジウム（組成式Ｇａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ：０≦Ｘ≦１）からなる発光層２０５を積層させた。発光層２０５をなす珪素（Ｓｉ）ドープＧａ_ＸＩｎ_１−ＸＮ層は、（ＣＨ_３）_３Ｇａ／（ＣＨ_３）_３Ｉｎ／Ｓｉ_２Ｈ_６／ＮＨ_３／Ｈ_２系常圧ＭＯＣＶＤ法により、８５０℃で成長させた。発光層２０５の平均的なインジウム（Ｉｎ）組成比は０．１０とした。発光層２０５の層厚は約８０ｎｍとし、キャリア濃度は約３×１０^１８ｃｍ^−３に設定した。
【００５５】
Ｇａ_０．９０Ｉｎ_０．１０Ｎ発光層２０５上には、亜鉛（Ｚｎ）とマグネシウム（Ｍｇ）を共にドーピングしたｐ形窒化ガリウム混晶（ＧａＮ）層を上部クラッド層２０６として積層した。
【００５６】
上記のｎ形ＧａＮ_０．９７Ｐ_０．０３下部クラッド層２０４、ｎ形Ｇａ_０．９０Ｉｎ_０．１０Ｎ発光層２０５、及びｐ形ＧａＮ層からなる上部クラッド層２０６からｐｎ接合型ダブルヘテロ接合構造の発光部２０７を構成した。図７に本実施例の積層構造体の断面構造を模式的に示す。
【００５７】
次ぎに、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板２０１の裏面を研磨して、基板の厚さを約３５０μｍから約１５０μｍと薄くした。然る後、公知のフォトリソグラフィー技術と選択エッチング技術を利用して、ｎ形Ｓｉ単結晶基板２０１の裏面の中央部に図８に示す如くの長方形状の穿孔部２０９を設けた。穿孔部２０９の短辺の長さは２００μｍとし、長辺は２５０μｍとした。穿孔部２０９は、塩素系の気体を用いたプラズマエッチング手段を利用してＳｉ単結晶２０１を除去して形成した。穿孔部２０９の基板２０１裏面からの深さは約１５０μｍであった。穿孔部２０９の底面２０９ａには、面方位を｛１１１｝とするＳｉ単結晶を基板２０１として利用することに依り得た｛１１１｝−Ｂ_ＸＧａ_１−ＸＰ緩衝層２０２の表面を露呈させた。穿孔部２０９を囲繞する様に残置させたＳｉ単結晶の上には、金（Ａｕ）からなるｎ形オーミック電極２０８を設けた。
【００５８】
上部クラッド層２０６の表面の略全面には、金（Ａｕ）と酸化ニッケル（ＮｉＯ）との重層構造の厚膜からなるｐ形オーミック電極２１０を形成した。金被膜の厚さは約２μｍとし、酸化ニッケルの厚さは約０．５μｍとした。
【００５９】
上記の如く構成したＬＥＤ２０のｐ形オーミック電極２１０側を支持体に導通させて接着した後、穿孔部２０９を通過して外部に出射される発光の強度を測定した。このマウント状態で一般的な積分球を利用して測定された発光強度は約１６マイクロワット（μＷ）となり、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が提供された。発光の中心波長は約４７０ｎｍであり、発光スペクトルの半値幅は約２０ｎｍとなった。順方向電圧（Ｖｆ）は約３Ｖ（順方向電流＝２０ｍＡ）となった。また、逆方向電圧は約１５Ｖ（逆方向電流＝１０μＡ）であった。
【００６０】
【発明の効果】
本発明は、導電性の珪素（Ｓｉ）単結晶基板の表面上に、金属或いは半導体からなる中間層を介して積層された、ＩＩＩ族窒化物半導体から構成されるｐｎ接合型ヘテロ接合構造の発光部を少なくとも含み、該単結晶基板の裏面に裏面電極と、表面側の発光部上に表面電極とを備えてなるＩＩＩ族窒化物半導体発光ダイオードに於いて、単結晶基板裏面に部分的に単結晶基板を除去して形成した穿孔部を設けると共に、穿孔部の周囲の残置した導電性のＳｉ単結晶基板上にオーミック電極を配置してＬＥＤを構成することとしたので、ＬＥＤとしての機械的強度を失うことなくＳｉ単結晶基板に因る発光の吸収を完全にまたは大幅に低減して、ＬＥＤの発光を穿孔部を通過させて外部に取り出せるため、発光強度に優れるＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを提供できる。
【００６１】
またこの場合、穿孔部の底面が中間層の結晶面が露呈する様にＳｉ単結晶を確実に除去するときは、穿孔部に於けるＳｉ単結晶に因る発光の吸収を完全に回避して、発光強度の低下を来さずに発光を外部に取り出すことができるため、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを提供できる。
また穿孔部のＳｉ単結晶を確実に除去して、底面に中間層の｛１１１｝結晶面を露呈させる構成としたときは、Ｓｉ単結晶基板に因る発光の吸収を回避できると共に、Ｓｉ単結晶基板を除去したことに因る発光部の支持力の低下を補完して、強固に保持された発光部を備えた基板除去型のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを提供できる。
【００６２】
特に、リン（Ｐ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体膜から中間層を構成する場合には砒素を構成元素とするＩＩＩ−Ｖ族半導体に比し、機械的強度もすぐれ、また融点も極めてたかいところから、発光部を強固に支持でき、且つ耐熱性に優れる中間層を備えたＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤを構成できる。
さらに中間層としてＩＩＩ族構成元素またはＶ族構成元素の組成に勾配を付した組成勾配層とすることにより、Ｓｉ単結晶と上層のＩＩＩ族窒化物半導体層の双方に格子整合する中間層を構成できるため、発光層との界面における格子不整合性に起因する結晶欠陥密度を減少できるため良好な結晶性のＩＩＩ族窒化物半導体層を得ることができ、高発光強度のＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤがもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】穿孔部の穿孔形状を例示する平面模式図である。
【図２】穿孔部の穿孔形状を例示する平面模式図である。
【図３】穿孔部の穿孔形状を例示する平面模式図である。
【図４】穿孔部の穿孔形状を例示する平面模式図である。
【図５】実施例１に記載のＬＥＤの断面模式図である。
【図６】実施例１に記載のＬＥＤの裏面の構造を示す模式図である。
【図７】実施例２に記載のＬＥＤの断面模式図である。
【図８】実施例２に記載のＬＥＤの裏面の構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１０、２０ ＩＩＩ族窒化物半導体ＬＥＤ
１１、１０１、２０１ Ｓｉ単結晶基板
１１ｂ 基板裏面
１２ 裏面電極
１３ 穿孔部
１０２ リン化硼素（ＢＰ）低温緩衝層
１０３ ＢＰ高温結晶層
２０２ 組成勾配緩衝層
１０４、２０４ 下部クラッド層
１０５、２０５ 発光層
１０６、２０６ 上部クラッド層
１０７、２０７ 発光部
１０８、２０８ ｎ形オーミック電極
１０９，２０９ 穿孔部
１０９ａ、２０９ａ 穿孔部底面
１１０、２１０ ｐ形オーミック電極

Claims (8)

1. 導電性の珪素（Ｓｉ）単結晶基板の表面上に、中間層、III族窒化物半導体から構成されるｐｎ接合型ヘテロ接合構造の発光部、該単結晶基板の裏面に裏面電極、表面側の発光部上に表面電極を設けてなるIII族窒化物半導体発光ダイオードにおいて、中間層がリン（Ｐ）を含む III −Ｖ族化合物半導体膜であり、且つ上記単結晶基板裏面の裏面電極以外の領域の珪素（Ｓｉ）単結晶基板を除去して光を取り出すための穿孔部を形成し、該穿孔部の底面に前記中間層を露出させたことを特徴とするIII族窒化物半導体発光ダイオード。
2. 導電性の珪素単結晶基板の裏面に、光を取り出すための複数の穿孔部が設けられ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ダイオード。
3. 基板が｛１１１｝−結晶面を表面とする導電性の｛１１１｝−珪素単結晶であり、｛１１１｝−単結晶を除去して露出させた上記の光を取り出すための穿孔部の底面が、リン化硼素（ＢＰ）から構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の III 族窒化物半導体発光ダイオード。
4. 光を取り出すための穿孔部の底面が、｛１１１｝−結晶面を表面とするリン化硼素から構成されている、ことを特徴とする請求項３に記載の III 族窒化物半導体発光ダイオード。
5. 裏面電極を設ける珪素単結晶基板の裏面から、光を取り出すための穿孔部の底部に至る深さが、８０μｍ以上で３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の III 族窒化物半導体発光ダイオード。
6. 中間層がＭＮ_1-XＰ_X（式中、Ｍは硼素以外のIII族元素を示し、Ｘは０＜Ｘ≦１の範囲である。）から構成したものである請求項１に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオード。
7. 中間層がＢ_XＭ_1-XＰ（式中、Ｍは硼素以外のIII族元素を示し、Ｘは０＜Ｘ≦１の範囲である。）から構成したものである請求項１〜６のいずれか１項に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオード。
8. 中間層が、III族構成元素またはＶ族構成元素の濃度に勾配を付して組成勾配層としたものである請求項６または７に記載のIII族窒化物半導体発光ダイオード。

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