JP2000261032A - ＧａＮ系の半導体発光素子 - Google Patents
ＧａＮ系の半導体発光素子Info
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 工業的に容易に入手可能な原材料を用いた結
晶性のよいＧａＮ系の半導体層を有する発光素子を提供
する。 【構成】 基板の上に金属窒化物層を含む下地層を形成
し、その上に連続してＧａＮ系の半導体からなる発光層
を形成する。
晶性のよいＧａＮ系の半導体層を有する発光素子を提供
する。 【構成】 基板の上に金属窒化物層を含む下地層を形成
し、その上に連続してＧａＮ系の半導体からなる発光層
を形成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はＧａＮ系の半導体発光素
子に関する。更に詳しくは、ＧａＮ系の半導体層の下地
層の改良に関する。
子に関する。更に詳しくは、ＧａＮ系の半導体層の下地
層の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】特開平９−２３７９３８号公報には、良
好な結晶のＧａＮ系の半導体層を得るために、下地層と
して岩塩構造をとる金属窒化物の（１１１）面を基板と
して用いることが開示されている。すなわち、この公報
では、岩塩構造をとる金属窒化物を基板として、その
（１１１）面上にＧａＮ系の半導体層を成長させてい
る。
好な結晶のＧａＮ系の半導体層を得るために、下地層と
して岩塩構造をとる金属窒化物の（１１１）面を基板と
して用いることが開示されている。すなわち、この公報
では、岩塩構造をとる金属窒化物を基板として、その
（１１１）面上にＧａＮ系の半導体層を成長させてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】半導体素子の基板に
は、素子の機能を維持するための特性（剛性、耐衝撃性
など）が要求される。基板を金属窒化物で形成したと
き、当該特性を維持するには１００μｍ以上の厚さが望
ましい。しかし、そのような厚さを有する金属窒化物は
工業製品の原材料として提供されていない。そこで、上
記公報に記載の発明を実施する場合には、金属窒化物性
の基板を自作（スパッタ等と考えられる）することにな
るが、それには大変手間がかかる。
は、素子の機能を維持するための特性（剛性、耐衝撃性
など）が要求される。基板を金属窒化物で形成したと
き、当該特性を維持するには１００μｍ以上の厚さが望
ましい。しかし、そのような厚さを有する金属窒化物は
工業製品の原材料として提供されていない。そこで、上
記公報に記載の発明を実施する場合には、金属窒化物性
の基板を自作（スパッタ等と考えられる）することにな
るが、それには大変手間がかかる。
【０００４】そこで、この発明は、工業的に容易に入手
可能な原材料を用いて良好な結晶構造のＧａＮ系の半導
体層を形成できるようにすることを目的とする。
可能な原材料を用いて良好な結晶構造のＧａＮ系の半導
体層を形成できるようにすることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題に鑑み
なされたものであり、その構成は次の通りである。即
ち、基板と、該基板の上に形成された金属窒化物からな
る下地層と、該下地層の上に連続して形成されたＧａＮ
系の半導体からなる発光層と、を備えてなるＧａＮ系の
半導体発光素子。
なされたものであり、その構成は次の通りである。即
ち、基板と、該基板の上に形成された金属窒化物からな
る下地層と、該下地層の上に連続して形成されたＧａＮ
系の半導体からなる発光層と、を備えてなるＧａＮ系の
半導体発光素子。
【０００６】上記のように構成された本発明の半導体発
光素子によれば、基板の上に形成された金属窒化物から
なる下地層の上にＧａＮ系の発光層を形成する。金属窒
化物の組成を調整することにより下地層とその上に形成
する発光層との格子不整を極めて小さくできるので、良
質な結晶のＧａＮ系の発光層を当該下地層の上に成長さ
せることができる。一方、素子の機能を保持するために
必要な厚さは基板が備え得るので、この下地層を薄くす
ることができる。よって、下地層を簡易かつ安価に形成
することができる。基板にはサファイア等の汎用的なも
のを採用すれば、素子は全体として安価に製造できるも
のとなる。さらに、本発明の構成では、発光層の直下に
金属窒化物からなる反射層が設けられる。反射層は金属
色の光沢を有し、可視域の光を反射するため、発光層で
生じた基板方向の光は反射層で反射されることとなる。
また、反射層は発光層の直下に存在するため基板側に向
かった光の実質的に全部が反射されることとなる。その
結果、発光層で生じた基板方向の光の実質的に全部を有
効に利用でき、発光素子の輝度の向上が図れる。
光素子によれば、基板の上に形成された金属窒化物から
なる下地層の上にＧａＮ系の発光層を形成する。金属窒
化物の組成を調整することにより下地層とその上に形成
する発光層との格子不整を極めて小さくできるので、良
質な結晶のＧａＮ系の発光層を当該下地層の上に成長さ
せることができる。一方、素子の機能を保持するために
必要な厚さは基板が備え得るので、この下地層を薄くす
ることができる。よって、下地層を簡易かつ安価に形成
することができる。基板にはサファイア等の汎用的なも
のを採用すれば、素子は全体として安価に製造できるも
のとなる。さらに、本発明の構成では、発光層の直下に
金属窒化物からなる反射層が設けられる。反射層は金属
色の光沢を有し、可視域の光を反射するため、発光層で
生じた基板方向の光は反射層で反射されることとなる。
また、反射層は発光層の直下に存在するため基板側に向
かった光の実質的に全部が反射されることとなる。その
結果、発光層で生じた基板方向の光の実質的に全部を有
効に利用でき、発光素子の輝度の向上が図れる。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の各構成要素につい
て説明する。ＧａＮ系の半導体とはIII族窒化物半導体
であって、一般的にはＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ
（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。
かかるＧａＮ系の半導体層は周知の有機金属化合物気相
成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法とする。）により成長され
る。また、周知の分子線結晶成長法（以下、ＭＢＥ法と
する。）等によっても成長させることができる。
て説明する。ＧａＮ系の半導体とはIII族窒化物半導体
であって、一般的にはＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ
（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。
かかるＧａＮ系の半導体層は周知の有機金属化合物気相
成長法（以下、ＭＯＣＶＤ法とする。）により成長され
る。また、周知の分子線結晶成長法（以下、ＭＢＥ法と
する。）等によっても成長させることができる。
【０００８】基板にはサファイアやＳｉＣ等の六方晶材
料、ＳｉやＧａＰ等の立方晶材料を用いることができ
る。六方晶材料の場合にはそのａ面若しくはｃ面を利用
しその上に下地層を成長させる。立方晶材料の場合には
そのｃ面が利用される。基板としてＳｉＣ、Ｓｉ又はＧ
ａＰを用いた場合、当該基板並びに金属窒化物にはそれ
ぞれ導電性がある。その結果、半導体発光素子の両端に
電極を形成することができ、基板へアースをとることに
よりチャージアップの問題も容易に解決される。この基
板には素子の機能を保持するための特性（剛性、耐衝撃
性など）が要求される。そのため、その厚さはほぼ１０
０μｍ以上とされる。
料、ＳｉやＧａＰ等の立方晶材料を用いることができ
る。六方晶材料の場合にはそのａ面若しくはｃ面を利用
しその上に下地層を成長させる。立方晶材料の場合には
そのｃ面が利用される。基板としてＳｉＣ、Ｓｉ又はＧ
ａＰを用いた場合、当該基板並びに金属窒化物にはそれ
ぞれ導電性がある。その結果、半導体発光素子の両端に
電極を形成することができ、基板へアースをとることに
よりチャージアップの問題も容易に解決される。この基
板には素子の機能を保持するための特性（剛性、耐衝撃
性など）が要求される。そのため、その厚さはほぼ１０
０μｍ以上とされる。
【０００９】下地層は金属窒化物からなる。金属窒化物
の種類は特に限定はされないが、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ若し
くはＴａの窒化物を好適に用いることができる。その
他、ＮｂＮ、ＶＮ、ＹＮ、ＣｒＮ等を採用できる。これ
らの金属窒化物は単独では、例えばＴｉＮはＧａＮに対
して６％、ＡｌＮに対して３．５％の格子不整合があ
り、ＺｒＮでは同様にＧａＮに対して１．５％、ＡｌＮ
に対して３．９％の格子不整合がある。そこで、金属窒
化物からなる下地層と発光層とが格子整合するようにこ
れら金属の合金の窒化物を用いることが好ましい。下地
層の成長方法は特に限定はされないが、プラズマＣＶ
Ｄ、熱ＣＶＤ、光ＣＶＤ等のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタ、
リアクティブスパッタ、レーザーアブレーション、イオ
ンプレーティング、蒸着等の（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａ
ｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の方法を利用でき
る。下地層の厚さは０．１〜１０μｍとすることが好ま
しい。
の種類は特に限定はされないが、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ若し
くはＴａの窒化物を好適に用いることができる。その
他、ＮｂＮ、ＶＮ、ＹＮ、ＣｒＮ等を採用できる。これ
らの金属窒化物は単独では、例えばＴｉＮはＧａＮに対
して６％、ＡｌＮに対して３．５％の格子不整合があ
り、ＺｒＮでは同様にＧａＮに対して１．５％、ＡｌＮ
に対して３．９％の格子不整合がある。そこで、金属窒
化物からなる下地層と発光層とが格子整合するようにこ
れら金属の合金の窒化物を用いることが好ましい。下地
層の成長方法は特に限定はされないが、プラズマＣＶ
Ｄ、熱ＣＶＤ、光ＣＶＤ等のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
Ｖａｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、スパッタ、
リアクティブスパッタ、レーザーアブレーション、イオ
ンプレーティング、蒸着等の（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａ
ｐｏｕｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の方法を利用でき
る。下地層の厚さは０．１〜１０μｍとすることが好ま
しい。
【００１０】下地層を適当なバッファ層介して基板の上
に成長させてもよい。バッファ層は単層であっても、複
数のバッファ層を積層してもよい。また、既述の金属窒
化物の上へＴｉ等の金属層を積層し、Ｔｉ／金属窒化物
の積層体を下地層とすることもできる。更には、下地層
を金属窒化物とＴｉ等の金属層との積層体を繰り返した
構成とすることもできる。この場合、最上層は金属窒化
物とすることが好ましい。
に成長させてもよい。バッファ層は単層であっても、複
数のバッファ層を積層してもよい。また、既述の金属窒
化物の上へＴｉ等の金属層を積層し、Ｔｉ／金属窒化物
の積層体を下地層とすることもできる。更には、下地層
を金属窒化物とＴｉ等の金属層との積層体を繰り返した
構成とすることもできる。この場合、最上層は金属窒化
物とすることが好ましい。
【００１１】発光層は下地層に連続して形成される。即
ち、発光層の直下に金属窒化物からなる下地層が存在す
ることとなる。これにより、発光層で生じ基板側に向か
った光の実質的に全部が下地層で反射されることとな
る。その結果、発光層で生じた基板方向の光を有効に利
用でき、発光素子の輝度の向上が図れる。
ち、発光層の直下に金属窒化物からなる下地層が存在す
ることとなる。これにより、発光層で生じ基板側に向か
った光の実質的に全部が下地層で反射されることとな
る。その結果、発光層で生じた基板方向の光を有効に利
用でき、発光素子の輝度の向上が図れる。
【００１２】発光層の上には、クラッド層が周知の方法
で形成され、必要なエッチング工程を経た後、ｎ電極及
びｐ電極が形成される。
で形成され、必要なエッチング工程を経た後、ｎ電極及
びｐ電極が形成される。
【００１３】
【実施例】以下、この発明の１の実施例を図を参照しな
がら説明する。図１はこの実施例の発光ダイオード１で
ある。各半導体層のスペックは次の通りである。 層 ： 組成：ドーパント （膜厚） ｐクラッド層６ ： ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ （0.3μm） 発光層５ ： 超格子構造 量子井戸層 ：Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ （35Å） バリア層 ：ＧａＮ （35Å） 量子井戸とバリア層の繰り返し数：１〜１０ 反射層４ ： Ｔｉ０．２６８Ｚｒ０．７３２Ｎ （3000Å） バッファ層３ ： Ａｌ （100Å） 基板２ ： シリコン（１１１） （300μm）
がら説明する。図１はこの実施例の発光ダイオード１で
ある。各半導体層のスペックは次の通りである。 層 ： 組成：ドーパント （膜厚） ｐクラッド層６ ： ｐ−ＧａＮ：Ｍｇ （0.3μm） 発光層５ ： 超格子構造 量子井戸層 ：Ｉｎ０．１５Ｇａ０．８５Ｎ （35Å） バリア層 ：ＧａＮ （35Å） 量子井戸とバリア層の繰り返し数：１〜１０ 反射層４ ： Ｔｉ０．２６８Ｚｒ０．７３２Ｎ （3000Å） バッファ層３ ： Ａｌ （100Å） 基板２ ： シリコン（１１１） （300μm）
【００１４】バッファ層３はＭＯＶＰＥ法により基板１
の上に積層される。反射層４はリアクティブスパッタ法
で形成される。発光層５は超格子構造のものに限定され
ず、シングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型
のものなどを用いることができる。
の上に積層される。反射層４はリアクティブスパッタ法
で形成される。発光層５は超格子構造のものに限定され
ず、シングルへテロ型、ダブルへテロ型及びホモ接合型
のものなどを用いることができる。
【００１５】発光層５とｐクラッド層６との間にマグネ
シウム等のアクセプタをドープしたバンドキャップの広
いＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ
≦１、Ｘ＋Ｙ≦１）層を介在させることができる。これ
は発光層６の中に注入された電子がｐクラッド層６に拡
散するのを防止するためである。ｐクラッド層６を発光
層５側の低ホール濃度ｐ−層とｐ電極８側の高ホール濃
度ｐ＋側とからなる２層構造とすることができる。
シウム等のアクセプタをドープしたバンドキャップの広
いＡｌＸＧａＹＩｎ１−Ｘ−ＹＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ
≦１、Ｘ＋Ｙ≦１）層を介在させることができる。これ
は発光層６の中に注入された電子がｐクラッド層６に拡
散するのを防止するためである。ｐクラッド層６を発光
層５側の低ホール濃度ｐ−層とｐ電極８側の高ホール濃
度ｐ＋側とからなる２層構造とすることができる。
【００１６】各半導体層は周知のＭＯＣＶＤ法により形
成される。この成長法においては、アンモニアガスとII
I族元素のアルキル化合物ガス、例えばトリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）や
トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とを適当な温度に加熱
された基板上に供給して熱分解反応させ、もって所望の
結晶を基板の上に成長させる。
成される。この成長法においては、アンモニアガスとII
I族元素のアルキル化合物ガス、例えばトリメチルガリ
ウム（ＴＭＧ）、トリメチルアルミニウム（ＴＭＡ）や
トリメチルインジウム（ＴＭＩ）とを適当な温度に加熱
された基板上に供給して熱分解反応させ、もって所望の
結晶を基板の上に成長させる。
【００１７】透光性電極７は金を含む薄膜であり、ｐク
ラッド層６の上面の実質的な全面を覆って積層される。
ｐ電極８も金を含む材料で構成されており、蒸着により
透光性電極７の上に形成される。なお、Ｓｉ基板層２が
ｎ電極となる。そしてその所望の位置にワイヤーがボン
ディングされる。
ラッド層６の上面の実質的な全面を覆って積層される。
ｐ電極８も金を含む材料で構成されており、蒸着により
透光性電極７の上に形成される。なお、Ｓｉ基板層２が
ｎ電極となる。そしてその所望の位置にワイヤーがボン
ディングされる。
【００１８】この発明は、上記発明の実施の形態及び実
施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の
範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲
で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の
範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲
で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【００１９】（１０） 前記基板は六方晶材料又は立方
晶材料であり、六方晶の材料の基板上に前記下地層が形
成され、又は立方晶材料の（１１１）面に前記下地層が
形成される、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれ
かに記載の半導体発光素子。 （２０） 前記六方晶材料はサファイア若しくは炭化シ
リコンであり、前記立方晶材料はシリコン若しくはリン
化ガリウムである、ことを特徴とする請求項１乃至３及
び（１０）のいずれかに記載の半導体発光素子。 （３０） 前記金属窒化物は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ若しく
はＴａの窒化物、又はこれら金属の合金の窒化物の中か
ら選ばれる１又は２以上の金属窒化物である、ことを特
徴とする請求項１乃至３、（１０）及び（２０）のいず
れかに記載の半導体発光素子。
晶材料であり、六方晶の材料の基板上に前記下地層が形
成され、又は立方晶材料の（１１１）面に前記下地層が
形成される、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれ
かに記載の半導体発光素子。 （２０） 前記六方晶材料はサファイア若しくは炭化シ
リコンであり、前記立方晶材料はシリコン若しくはリン
化ガリウムである、ことを特徴とする請求項１乃至３及
び（１０）のいずれかに記載の半導体発光素子。 （３０） 前記金属窒化物は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ若しく
はＴａの窒化物、又はこれら金属の合金の窒化物の中か
ら選ばれる１又は２以上の金属窒化物である、ことを特
徴とする請求項１乃至３、（１０）及び（２０）のいず
れかに記載の半導体発光素子。
【図１】本発明の実施例の発光ダイオード１を示す図で
ある。
ある。
１ 発光ダイオード ２ 基板 ３ バッファ層 ４ 反射層 ５ 発光層 ６ ｐクラッド層 ７ 透光性電極 ８ ｐ電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 伊藤 潤 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 (72)発明者 野杁 静代 愛知県西春日井郡春日町大字落合字長畑１ 番地 豊田合成株式会社内 Ｆターム(参考） 4G077 AA03 AA07 BE11 BE15 BE47 DA05 DB08 ED06 HA02 5F041 AA31 CA02 CA03 CA04 CA05 CA23 CA33 CA34 CA37 CA40 CA46 CA57 CA65 CA66 CA85 DA07 5F045 AA04 AA19 AB14 AB17 AB18 AB40 AC08 AC12 AF03 AF04 AF09 AF13 CA10 DA53 DA54 5F073 AA73 AA74 CA07 CB04 CB05 CB07 CB19 DA05 DA06 DA07
Claims (3)
- 【請求項１】 基板と、 該基板の上に形成された金属窒化物層を含む下地層と、 該下地層の上に連続して形成されたＧａＮ系の半導体か
らなる発光層と、を備えてなるＧａＮ系の半導体発光素
子。 - 【請求項２】 前記下地層の前記発光層に接する面は前
記金属窒化物からなる、ことを特徴とする請求項１に記
載の半導体発光素子。 - 【請求項３】 前記下地層は金属窒化物からなる、こと
を特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
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|---|---|---|---|
| JP5812899A JP3567780B2 (ja) | 1999-03-05 | 1999-03-05 | ＧａＮ系の半導体発光素子 |
| EP00104655A EP1039555A1 (en) | 1999-03-05 | 2000-03-03 | Group III nitride compound semiconductor device |
| US09/518,724 US6426512B1 (en) | 1999-03-05 | 2000-03-03 | Group III nitride compound semiconductor device |
| US10/020,460 US6872965B2 (en) | 1999-03-05 | 2001-12-18 | Group III nitride compound semiconductor device |
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|---|---|---|---|
| JP5812899A JP3567780B2 (ja) | 1999-03-05 | 1999-03-05 | ＧａＮ系の半導体発光素子 |
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| JP2000261032A true JP2000261032A (ja) | 2000-09-22 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009238783A (ja) * | 2008-03-25 | 2009-10-15 | Kanagawa Acad Of Sci & Technol | 半導体基板の製造方法、半導体基板、発光素子及び電子素子 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03203388A (ja) * | 1989-12-29 | 1991-09-05 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 半導体発光素子およびその製造方法 |
| JPH10321954A (ja) * | 1997-05-15 | 1998-12-04 | Fuji Electric Co Ltd | Ｉｉｉ 族窒化物半導体素子およびその製造方法 |
| JPH11260835A (ja) * | 1997-07-11 | 1999-09-24 | Tdk Corp | 電子デバイス用基板 |
-
1999
- 1999-03-05 JP JP5812899A patent/JP3567780B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| JPH11260835A (ja) * | 1997-07-11 | 1999-09-24 | Tdk Corp | 電子デバイス用基板 |
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