JP4174913B2

JP4174913B2 - Ｉｉｉ族窒化物半導体発光素子

Info

Publication number: JP4174913B2
Application number: JP15758899A
Authority: JP
Inventors: 隆宇田川
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1999-06-04
Filing date: 1999-06-04
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2019-06-04
Also published as: JP2000349336A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、珪素（Ｓｉ）単結晶基板上にＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造を形成して作製したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に係わり、特に、前記基板上に好適な緩衝層を介して形成した結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造を用いて作製したＩＩＩ族窒化物半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
窒素（Ｎ）を構成元素とするＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造は、短波長可視光発光用の発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）などの発光素子に用いられている。
従来、上記の発光素子に用いられるＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造は、もっぱら、六方晶（ｈｅｘａｇｏｎａｌ）系のサファイア（Ａｌ₂Ｏ₃単結晶）や炭化珪素（ＳｉＣ）単結晶からなる基板上に、積層構造の構成層を順次積層させて形成していた。
【０００３】
これに対し最近では、Ｓｉ単結晶基板に形成したＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造を用いて、短波長可視光発光用の発光素子を作製した例がある。
Ｓｉ単結晶を基板に用いるのは、ダイヤモンド（ｄｉａｍｏｎｄ）構造の結晶構造を有するＳｉ単結晶を基板とすれば、（１）［０１１］結晶方向への劈開を利用して個別素子（チップ）に簡易に裁断できる、（２）レーザーダイオードでは、劈開により簡便に光共振面を形成できる等の利点があるためである。また、Ｓｉ単結晶基板は導電性を有するため、オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極を基板の裏面に形成できる利点もある。
【０００４】
しかし、Ｓｉ単結晶と例えばＩＩＩ族窒化物半導体のひとつであるウルツ鉱（ｗｕｒｔｚｉｔｅ）型の六方晶窒化ガリウム（ＧａＮ）との格子定数の差異（格子ミスマッチ度）は約１７％の大きさに達する。
このため、Ｓｉ単結晶基板上に直接ＧａＮのようなＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造を形成した場合、結晶性に優れかつ平坦な積層構造を得ることは困難であった。
【０００５】
このため、Ｓｉ単結晶基板上に緩衝層を介してＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造を形成する方法も、従来から用いられていた。この場合、緩衝層に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる層が用いられていた例がある（特開平１０−２４２５８６）。
この従来技術では、ＡｌＮ緩衝層は８４０℃で形成されている。しかし、この従来技術のようにＳｉ単結晶基板上に単層のＡｌＮ緩衝層を敷設したところで、該緩衝層上に積層したＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の表面の平坦性が、必ずしも充分に確保されるに至っていないのが現状であった。
【０００６】
また別の従来技術として、Ｓｉ単結晶基板の（１１１）表面に砒化アルミニウム（ＡｌＡｓ）層と砒化ガリウム（ＧａＡｓ）層とを重ねて積層し、さらに該ＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層を酸化して、ＡｌＯ_x層とその上のα結晶型の三酸化ガリウム（α−Ｇａ₂Ｏ₃）層とを形成すれば、その上に表面を平坦とするα結晶型のＧａＮ（α−ＧａＮ）層が堆積できるという報告がある（Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，７３（１１）（１９９８）、１５５３〜１５５５頁）。
しかし、表面が平坦なＧａＮ層をもたらすこの従来技術では、Ｓｉ単結晶基板表面上に予めＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層とを重ねて積層し、さらに該ＡｌＡｓ層とＧａＡｓ層に酸化を及ぼして、ＡｌＯ_x層とその上のα結晶型の三酸化ガリウム（α−Ｇａ₂Ｏ₃）層とからなる緩衝層を形成するといった煩雑な工程が必要があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の如く、従来の方法により表面が平坦なＩＩＩ族窒化物半導体結晶層をＳｉ単結晶基板上に形成するためには、砒素（Ａｓ）を含むＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層を一旦Ｓｉ単結晶基板上に堆積し、更にそれを酸化してＳｉ単結晶基板上に酸化物からなる緩衝層を形成し、その緩衝層を介して例えばＧａＮ層のようなＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を積層させるという煩雑な工程が必要であった。
【０００８】
本発明は、この従来技術の問題点に鑑み成されたもので、Ｓｉ単結晶結晶基板上に表面の平坦な結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造を形成するために、簡単に形成することが出来る新規な構造の緩衝層を提供するものである。
すなわち本発明は、簡単に形成できる新規な構造の緩衝層を介して、Ｓｉ単結晶基板上に平坦で結晶性の優れたＩＩＩ族窒化物半導体結晶から成る積層構造を形成し、Ｓｉ単結晶を基板とすることにより得られる多くの素子作製上の特点を活用して、特性に優れる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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、ｎ形の導電性を有する珪素（Ｓｉ）単結晶基板と、該基板上に形成された緩衝層と、該緩衝層上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造とを具備するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、前記緩衝層が、前記Ｓｉ単結晶基板に接して形成された、ガリウム（Ｇａ）の酸化物を５０重量％より多く含む、ｎ形の導電性を有する酸化物緩衝層を有することを特徴とする。
【００１０】
また本発明は、上記の緩衝層が、前記酸化物緩衝層上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体からなる第２の緩衝層を有することを特徴とする。
【００１１】
さらに本発明は、上記の酸化物緩衝層が、ベータ（β）結晶型の三酸化ガリウム（β−Ｇａ₂Ｏ₃）を５０重量％より多く含むことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、Ｓｉ単結晶基板上に形成された緩衝層が、Ｓｉ単結晶基板に接して形成された、ガリウム（Ｇａ）の酸化物を５０重量％より多く含む、ｎ形の導電性を有する酸化物緩衝層を有することを特徴とする。
Ｇａの酸化物には、一般にＧａ₂Ｏ（ｇａｌｌｉｕｍｓｕｂｏｘｉｄｅ）、ＧａＯ（ｇａｌｌｉｕｍｏｘｉｄｅ）やＧａ₂Ｏ₃（ｇａｌｌｉｕｍｓｅｓｑｕｉｏｘｉｄｅ）がある（Ｌ．Ａ．ＳＨＥＫＡ他著、”ＴＨＥＣＨＥＭＩＳＴＲＹＯＦＧＡＬＬＩＵＭ”（ＥＬＳＥＶＩＥＲＰｕｂ．Ｃｏ．，１９６６）、２９〜３６頁参照）。また、同じＧａ₂Ｏ₃でも、結晶形態からα型（α−Ｇａ₂Ｏ₃）、β型（β−Ｇａ₂Ｏ₃）、γ型（γ−Ｇａ₂Ｏ₃）、δ型（δ−Ｇａ₂Ｏ₃）、及びε型（ε−Ｇａ₂Ｏ₃）等がある。
本発明の緩衝層を構成するガリウムの酸化物が、ＧａＯかＧａ₂Ｏかであるかは、酸化ガリウムの種類によって結晶の格子定数（ｌａｔｔｉｃｅｃｏｎｓｔａｎｔ）が異なるため、Ｘ線回折分析法（Ｘ−ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ）などにより結晶の格子面間隔から同定できる。
【００１３】
本発明の酸化物緩衝層は、ガリウム（Ｇａ）の酸化物を５０重量％より多く含むものとする。すなわち本発明の酸化物緩衝層は、例えば、Ｇａ₂Ｏ₃を５０重量％を越えて含む、Ｇａ₂Ｏ₃と酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）との混合物から構成できる。また、Ｇａの酸化物を５０重量％より多く含むＧａ₂Ｏ₃と酸化カルシウム（ＣａＯ）との混合体からも構成できる。
上記のＧａの酸化物を５０重量％より多く含む酸化物緩衝層は、例えば、トリメトキシガリウム（ｔｒｉ−ｍｅｔｈｏｘｙｇａｌｌｉｕｍ：（Ｈ₃ＣＯ）₃Ｇａ）を原料とする化学的気相堆積（ＣＶＤ）法などで形成できる。また、酸化ガリウム粉体をプレス加工したターゲット（ｔａｒｇｅｔ）としたスパッタリング法などの物理的堆積法によっても形成できる。
【００１４】
また、本発明の酸化物緩衝層は、ｎ形の導電性を有する酸化物層から構成する。酸化物緩衝層は、ｐ形の導電性を有するものとすることもできるが、酸化物層の比抵抗の安定的な制御性を考慮すれば、酸化物緩衝層はｎ形の導電性を有する層とするのが有利である。
また、酸化物緩衝層をｎ形とするのに対応させて、本発明のＳｉ単結晶基板には、ｎ形の導電性を有するＳｉ単結晶を使用する。ｎ形のＳｉ単結晶基板には、アンチモン（Ｓｂ）或いはリン（Ｐ）などのｎ形不純物が添加されたＳｂドープ或いはＰドープのＳｉ単結晶などが使用できる。Ｓｉ単結晶基板の面方位は、（００１）方向や（１１１）方向あるいは上記方向からオフ角を有するものを用いることができる。Ｓｉ単結晶基板の面方位が何れであっても、本発明の作用あるいは効果は得られる。
【００１５】
本発明の酸化物緩衝層の層厚は、数ｎｍから数μｍの範囲とするのが好ましい。酸化物緩衝層の厚さが１ｎｍ以下であると、酸化物緩衝層は連続性を欠くものとなり、Ｓｉ単結晶基板の表面を十分に被覆することができない。逆に、酸化物緩衝層の厚さが１０μｍ以上であると、酸化物緩衝層の表面に凹凸が発生し、平坦性を欠くものとなる。特に本発明では、酸化物緩衝層の層厚は、１０ｎｍ以上１μｍ以下の厚さとするのが好ましい。
従来の技術のように、Ｓｉ単結晶基板上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる緩衝層を構成した場合には、緩衝層上に形成したＧａＮ層の表面は平坦性が損なわれたものとなった（特開平１０−２４２５８６）。しかし、上記の本発明の緩衝層上には、表面が平坦で結晶性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造が成長できる。即ち、本発明の緩衝層は、平坦性に優れかつ結晶性の良い積層構造をもたらす作用を有する。
【００１６】
また本発明の緩衝層は、上記の酸化物緩衝層の上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体からなる第２の緩衝層を有していることが好ましい。第２の緩衝層は、一般式Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_1-X-YＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物半導体から構成できる。第２の緩衝層は、多結晶と非晶質とからなる構造を有するものとする。
第２の緩衝層の介在により、その上に形成するＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造は、連続性並びに平坦性に優れたものとなる。
【００１７】
酸化物緩衝層の上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる第２の緩衝層を形成した構成の緩衝層としては、例えば、Ｓｉ単結晶基板に直接接するα−Ｇａ₂Ｏ₃からなる酸化物緩衝層の上に、ＧａＮからなる第２の緩衝層を形成したものが挙げられる。また、γ−Ｇａ₂Ｏ₃を５０重量％より多く含む酸化物緩衝層をＳｉ単結晶基板上に接して形成し、該酸化物緩衝層上に窒化アルミニウム（ＡｌＮ）から第２の緩衝層を形成する例もある。
酸化物緩衝層と第２の緩衝層とは、共通のＩＩＩ族元素を含んでいる必要はない。
【００１８】
第２の緩衝層を構成するＩＩＩ族窒化物半導体は、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法や分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法、気相成長（ＶＰＥ）法で成長できる。上記のＭＯＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ＶＰＥ法を総称して、本明細書では気相成長法と呼ぶ。第２の緩衝層を成長するためには、上記の気相成長法に共通して、成長温度を３５０℃〜５５０℃とするのが好ましい。成長温度を３５０℃〜５５０℃とすることにより、第２の緩衝層を多結晶と非晶質とからなる構造とすることができる。
また第２の緩衝層の層厚としては、２ｎｍから２００ｎｍの範囲とするのが好適である。第２の緩衝層は、アンドープ層或いはｎ形不純物ドープ層の何れからも構成でき、ドーピングするｎ形不純物としては、珪素（Ｓｉ）、錫（Ｓｎ）等の第ＩＶ族元素、若しくは硫黄（Ｓ）やセレン（Ｓｅ）などの第ＶＩ族元素から選択できる。第２の緩衝層は、ｎ形の導電性を有するものとするのが好ましい。
【００１９】
さらに本発明は、上記の酸化物緩衝層が、ベータ（β）結晶型の三酸化ガリウム（β−Ｇａ₂Ｏ₃）を５０重量％より多く含むことが好ましい。これはβ−Ｇａ₂Ｏ₃が、ＧａＯやＧａ₂Ｏあるいはα−Ｇａ₂Ｏ₃等のβ−Ｇａ₂Ｏ₃以外のＧａ₂Ｏ₃に比べて、高温での安定性に優れるからである。
ＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造の成長温度は、一般に１０００℃或いはそれを越える高温である。β−Ｇａ₂Ｏ₃はこの様な高温にも充分に耐える安定性を有している。一方、Ｇａ₂Ｏは約７００℃で分解し、またα−Ｇａ₂Ｏ₃は約３００℃〜約６００℃でβ−Ｇａ₂Ｏ₃に変態するなど、β−Ｇａ₂Ｏ₃以外のＧａの酸化物は、高温での形態の安定性に欠ける傾向がある。従って、β−Ｇａ₂Ｏ₃を５０重量％より多く含む酸化物緩衝層を構成すれば、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造の成長の際に、酸化物緩衝層の熱的解離或いは昇華による緩衝層の損失、損壊を防止することができる。
【００２０】
β−Ｇａ₂Ｏ₃を５０重量％より多く含む酸化物緩衝層をＳｉ単結晶基板上に形成するためには、酸化物緩衝層の形成温度を６００℃以上に設定する必要がある。例えば、メトキシ（ｍｅｔｈｏｘｙ）基を有する有機Ｇａ化合物を原料とするＣＶＤ法で酸化物緩衝層を形成する場合、５００℃以下の形成温度では、Ｓｉ単結晶基板上にはα−Ｇａ₂Ｏ₃が主に生成する。また、４００℃〜５００℃近傍の温度では、γ−Ｇａ₂Ｏ₃が主に形成される。
アズグローン（ａｓ−ｇｒｏｗｎ）状態の酸化物緩衝層が、β−Ｇａ₂Ｏ₃ではなく例えばα−Ｇａ₂Ｏ₃を主体としている場合、該酸化物緩衝層を少なくとも６００℃以上、好ましくは１０００℃以上に加熱することにより、β−Ｇａ₂Ｏ₃を５０重量％より多く含む酸化物緩衝層に変換することができる。
【００２１】
本発明の緩衝層上には、緩衝層の成長温度よりも高温でＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造を形成する。本発明の緩衝層の内部の結晶構造は、非晶質や多結晶や単結晶若しくはそれらの混合物であっても差し支えないが、その上に形成するＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造は、発光素子の機能層の役割を果たすため、結晶性に優れる単結晶から構成する必要がある。このため、積層構造の成長温度を緩衝層よりも高温とし、単結晶のＩＩＩ族窒化物半導体からなる積層構造を形成する必要がある。
【００２２】
ＩＩＩ族窒化物半導体は、一般にＡｌ_XＧａ_YＩｎ_1-X-YＮ（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１）で表される。また、窒素以外の砒素やリンを含むＩＩＩ族窒化物半導体、すなわち一般式Ａｌ_XＧａ_YＩｎ_1-X-YＮ_aＭ_1-a（０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１、Ｍは窒素以外の第Ｖ族元素を表し、０＜ａ≦１）で表されるＩＩＩ族窒化物半導体も、積層構造に用いることが出来る。
例えば、Ｓｉ単結晶基板上に接してＧａの酸化物を５０重量％より多く含む、ｎ形の導電性を有する酸化物緩衝層を形成し、その上にｎ形ＧａＮ層を下部クラッド層、ｎ形窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ_YＩｎ_1-YＮ：０≦Ｙ≦１）層を発光層、ｐ形Ａｌ_XＧａ_1-XＮ（０＜Ｘ≦１）層を上部クラッド層として順次積層して積層構造を形成すれば、短波長の可視光乃至近紫外光を発光する発光素子用の積層構造が形成できる。さらに、Ｓｉ単結晶基板の裏面及び積層構造の表面にオーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極を設ければＬＥＤやＬＤ等のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が構成できる。
【００２３】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の詳細を、ＬＥＤを作製する場合を例にして具体的に説明する。図１は、本実施例１に係わるＬＥＤの構造を示す断面模式図である。
【００２４】
本実施例１のＬＥＤは、Ｓｉ単結晶基板１０１上に緩衝層１０２を介して積層構造１０６を形成したエピタキシャルウェハを用いて作製した。該エピタキシャルウェハは、（００１）面を有するアンチモン（Ｓｂ）をドープしたｎ形のＳｉ単結晶基板１０１の上に酸化物緩衝層１０２を形成し、その上にＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造１０６の構成層１０３、１０４、１０５を積層して形成したものである。
上記のエピタキシャルウェハは以下のようにして作製した。
【００２５】
Ｓｉ単結晶基板１０１を、ＭＯＣＶＤ法による薄膜の成長に用いる一般的なＭＯＣＶＤ反応炉内に載置した後、９５体積％のアルゴン（Ａｒ）と５体積％の酸素（Ｏ₂）との混合ガスからなる雰囲気中で６５０℃に加熱した。
その後、８×１０^-5ｍｏｌ／分に相当する量のトリメトキシガリウム（（Ｈ₃ＣＯ）₃Ｇａ）の蒸気を随伴する水素ガスを反応炉内に導入して、層厚を約１０ｎｍとするα型三酸化ガリウム（α−Ｇａ₂Ｏ₃）からなる酸化物緩衝層１０２をＳｉ単結晶基板１０１上に接して堆積した。
このエピタキシャルウェハの作製とは別に、（Ｈ₃ＣＯ）₃Ｇａの供給量を同一に設定し、上記と同一の条件で高抵抗のＳｉ基板上に約０．８μｍと厚く形成したα−Ｇａ₂Ｏ₃からなる酸化物層は、通常のホール（Ｈａｌｌ）効果測定法に依ればｎ形の導電性を有し、そのキャリア濃度は約１０¹⁷〜１０¹⁸ｃｍ^-3であった。また、Ｘ線回折分析に依れば、上記の方法で形成した酸化物層は、α−Ｇａ₂Ｏ₃を７５重量％以上含むものであった。
【００２６】
酸化物緩衝層１０２の形成終了後、雰囲気を上記のアルゴンと酸素の混合ガスとし、直ちに基板１０１の温度を１０５０℃に昇温した。昇温速度は約８０℃／分に設定した。
昇温後、トリメチルガリウムをＧａ原料とし、アンモニア（ＮＨ₃）を窒素原料として、通常の常圧ＭＯＣＶＤ法により、Ｓｉをドープしたｎ形のＧａＮからなる下部クラッド層１０３を成長した。下部クラッド層１０３の層厚は約３μｍとし、キャリア濃度は約３×１０¹⁸ｃｍ^-3とした。酸化物緩衝層１０２上に成長した下部クラッド層１０３の表面は平坦で連続性に優れるものとなった。
【００２７】
下部クラッド層１０３の成長後、基板１０１の温度を８８０℃に下げ、下部クラッド層１０３上に平均的なインジウム（Ｉｎ）組成比を０．１７とするｎ形Ｇａ_0.83Ｉｎ_0.17Ｎ層を発光層１０４として常圧ＭＯＣＶＤ法で積層した。発光層１０４はｎ形でキャリア濃度は約７×１０¹⁸ｃｍ^-3に設定し、層厚を約９ｎｍとした。
発光層１０４は、特に、主体相（ｍａｔｒｉｘｐｈａｓｅ）と主体相とはインジウム組成比を相違する従属相（ｓｕｂ−ｐｈａｓｅ）から成る多相構造の結晶層から構成した。従属相は、主に、略球状の微結晶体から成っており、主体相内に散在する従属相（微結晶体）の中には、外周囲に歪層（歪領域）を有するものも認められた。
発光層１０４の成長後、基板１０１の温度を１０５０℃に戻し、発光層１０４との接合界面１０４ａでのアルミニウム（Ａｌ）組成比（Ｘ）が０．２０であり、表面でのＡｌ組成比が０である、層厚を１００ｎｍとするマグネシウム（Ｍｇ）ドープのｐ形Ａｌ_XＧａ_1-XＮ層を、発光層１０４上にコンタクト層を兼ねる上部クラッド層１０５として積層した。
上記のようにして、上記のｎ形下部クラッド層１０３、ｎ形の多相構造の発光層１０４、及び上部クラッド層１０５よりなるｐｎ接合型のダブルヘテロ（ＤＨ）接合構造の発光部を備えたＬＥＤ用のエピタキシャルウェハを作製した。
【００２８】
発光部を構成する積層構造１０６の各構成層１０３、１０４、１０５は、何れも表面状態に優れ且つ平坦性のある結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体結晶から作製することが出来た。特に、酸化物緩衝層１０２と下部クラッド層１０３との間には、空隙などは認められず、密着性に優れる積層構造１０６が作製できた。
【００２９】
ＬＥＤは、上記のようにして作製したエピタキシャルウェハのＳｉ単結晶基板１０１の裏面とＡｌ組成の勾配を有するＡｌ_XＧａ_1-XＮからなる上部クラッド層１０５の表面に、それぞれｎ形オーミック電極１０８およびｐ形オーミック電極１０７を形成し、その後素子に分離して作製した。ｐ形およびｎ形オーミック電極１０７、１０８は、ともにＡｌから構成した。
【００３０】
上記のようにして得られたＬＥＤのｐ形およびｎ形オーミック電極１０７、１０８の間に順方向に２０ｍＡの動作電流を流して、ＬＥＤを発光させた。ＬＥＤからは、ピーク波長を約４７０ｎｍとし、半値幅を約１５ｎｍとするスペクトルを有する青緑色の発光が観察された。
一般的な積分球を利用して測定される発光の強度は約１５μＷであった。このように、本実施例１では高輝度のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が得られた。
【００３１】
（実施例２）
本実施例２では、酸化物緩衝層と該酸化物緩衝層上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体からなる第２の緩衝層とからなる緩衝層を具備したＬＥＤを作製する場合を例にして、本発明を具体的に説明する。
図２は本実施例２に係わるＬＥＤの構造を示す断面模式図である。
【００３２】
本実施例２に係わるＬＥＤ用のエピタキシャルウェハの作製は、以下のようにして行った。
まず、リン（Ｐ）をドープしたｎ形の（００１）面を有するＳｉ単結晶基板１０１上に、４８０℃で主に多結晶から成る酸化物緩衝層１０２を堆積した。
酸化物緩衝層１０２は、三酸化ガリウム（Ｇａ₂Ｏ₃）の粉状混合物を蒸着源とする一般的な真空蒸着法で形成した。Ｘ線回折分析の結果に依れば、酸化物緩衝層１０２の主たる構成要素はγ−Ｇａ₂Ｏ₃であり、その構成比率は重量比率にして約８０％であった。酸化物緩衝層１０２内には、その他α−Ｇａ₂Ｏ₃やδ−Ｇａ₂Ｏ₃の存在が認められた。酸化物緩衝層１０２の層厚は、約１８ｎｍとした。また、酸化物緩衝層１０２はｎ形の導電性を示した。
【００３３】
酸化物緩衝層１０２上には、同じく４８０℃で、トリメチルガリウム（（ＣＨ₃）₃Ｇａ）、トリメチルアルミニウム（（ＣＨ₃）₃Ａｌ）及びアンモニア（ＮＨ₃）を原料とする一般的な常圧ＭＯＣＶＤ法により、アルミニウム組成比を０．１とする窒化アルミニウム・ガリウム（Ａｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎ）からなる第２の緩衝層１０９を積層させた。第２の緩衝層１０９は、多結晶と非晶質からなる構造を有し、層厚は約１５ｎｍであった。
【００３４】
第２の緩衝層１０９上には、実施例１と同様の手順により、ｎ形下部クラッド層１０３、ｎ形の多相構造の発光層１０４、及び上部クラッド層１０５からなる積層構造１０６を形成した。このようにして、実施例１と同じｎ形下部クラッド層１０３、ｎ形の多相構造の発光層１０４、及び上部クラッド層１０５からなる発光部を有するＬＥＤ用のエピタキシャルウェハが作製された。
さらに、実施例１と同じ方法により、上記エピタキシャルウェハにｐ形およびｎ形オーミック電極１０７、１０８を形成し、素子に分離してＬＥＤを作製した。上記のようにして作製したＬＥＤに２０ｍＡの順方向電流を流した際の発光のピーク波長は約４７０ｎｍであった。また一般的な積分球を利用して測定されたＬＥＤの発光強度は、約１８μＷであった。すなわち本実施例２では、実施例１のＬＥＤに比べてさらに発光強度の高いＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が得られた。
【００３５】
（実施例３）
本実施例３では、β−Ｇａ₂Ｏ₃を５０重量％より多く含む酸化物緩衝層を含む緩衝層上にＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造を形成してＬＥＤを作製する場合を例にして本発明を具体的に説明する。
本実施例３に係わるＬＥＤの構造は、図２に示すＬＥＤと同一とした。
【００３６】
本実施例３に係わるＬＥＤは、以下の手順で作製した。
Ｓｂをドープしたｎ形の（００１）面を有するＳｉ単結晶基板１０１の表面上に、ガリウム酸化物粉末を高圧プレス法で成型してなしたタ−ゲット材料を使用して、一般的な高周波スパッタリング法により、４００℃でα−Ｇａ₂Ｏ₃を主体とする酸化物層を堆積した。該酸化物層の層厚は約１００ｎｍとした。
【００３７】
然る後、上記の酸化物層を形成した基板を、アルゴン（Ａｒ）気流中で１１００℃で２０分間加熱した。これより、酸化物層を構成するα−Ｇａ₂Ｏ₃をβ−Ｇａ₂Ｏ₃に変換して、本発明に係わる酸化物緩衝層１０２を形成した。酸化物緩衝層１０２中のβ−Ｇａ₂Ｏ₃の重量構成比率は約９８％程度となった。その他は、α−Ｇａ₂Ｏ₃がほとんどであった。
α−Ｇａ₂Ｏ₃を加熱してβ−Ｇａ₂Ｏ₃に変態させて、β−Ｇａ₂Ｏ₃を５０重量％より多く含む酸化物緩衝層１０２を構成した後、この酸化物緩衝層上に、実施例２と同様にしてＡｌ_0.1Ｇａ_0.9Ｎからなる第２の緩衝層１０９を積層させた。
【００３８】
その後、上記の第２の緩衝層１０９上に、実施例１と同様にして、ｎ形下部クラッド層１０３、ｎ形の多相構造の発光層１０４、及び上部クラッド層１０５からなる積層構造１０６を形成した。この積層構造１０６の構成層１０３、１０４、１０５は何れも表面の平坦性に優れるものとなった。
【００３９】
続いて、上記の方法で得られたエピタキシャルウェハを用いて、実施例１と同様の方法により、ＬＥＤを作製した。
本実施例３で作製したＬＥＤに、２０ｍＡの順方向電流を流した際の発光のピーク波長は約４７２ｎｍとなった。また発光強度は、２３μＷとなった。
このように発光強度の強いＬＥＤが得られたのは、酸化物緩衝層がほぼβ−Ｇａ₂Ｏ₃の単体から構成されていること、及び酸化物緩衝層上にＩＩＩ族窒化物半導体からなる第２の緩衝層を積層したことにより、積層構造を構成する各構成層の結晶性が優れたものとなったことによると考えられる。
このように本実施例３では、発光強度の強いＩＩＩ族窒化物半導体発光素子が得られる結果となった。
【００４０】
【発明の効果】
本発明のＩＩＩ族窒化物半導体発光素子によれば、Ｓｉ単結晶結晶基板上に表面の平坦な結晶性の良いＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造を形成することができるため、発光強度の強いＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を作製することが出来る。
なお、上記の実施例では、ＬＥＤを作製する場合について説明したが、本発明はＬＤを作製する場合にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に係わるＬＥＤの構造を示す断面模式図。
【図２】実施例２、３に係わるＬＥＤの構造を示す断面模式図。
【符号の説明】
１０１Ｓｉ単結晶基板
１０２酸化物緩衝層
１０３下部クラッド層
１０４発光層
１０４ａ発光層と上部クラッド層との接合界面
１０５上部クラッド層
１０６積層構造
１０７ｐ形オーミック電極
１０８ｎ形オーミック電極
１０９第２の緩衝層

Claims

ｎ形の導電性を有する珪素（Ｓｉ）単結晶基板と、該基板上に形成された緩衝層と、該緩衝層上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体結晶からなる積層構造とを具備するＩＩＩ族窒化物半導体発光素子において、前記緩衝層が、前記Ｓｉ単結晶基板に接して形成された、ガリウム（Ｇａ）の酸化物を５０重量％より多く含む、ｎ形の導電性を有する酸化物緩衝層を有することを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体発光素子。
前記緩衝層が、前記酸化物緩衝層上に形成されたＩＩＩ族窒化物半導体からなる第２の緩衝層を有す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。
前記酸化物緩衝層が、ベータ（β）結晶型の三酸化ガリウム（β−Ｇａ₂Ｏ₃）を５０重量％より多く含む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素子。