(57)【要約】【課題】半導体発光素子の発光特性の向上が困難であった。【解決手段】低抵抗のシリコン基板１の上にバッファ層２、ｎ型クラッド層３、多重井戸構造活性層４、ｐ型クラッド層５を設ける。バッファ層２とｎ型クラッド層３との合計の厚みを薄くすることによってｎ型クラッド層３の表面に転位を生じさせる。ｎ型クラッド層３の表面に転位を基点として角錐状の複数の活性層４を成長させる。複数の角錐台状の活性層４の上及び相互間にクラッド層５を形成する。ｐ型クラッド層５の表面を平坦に形成する。【選択図】        図１
2004193498.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を用意する工程と、
その表面に複数の転位が生じるように前記基板上にエピタキシャル成長法によって前記基板と異なる材料から成る第１導電型の半導体領域を形成する工程と、
前記第１導電型の半導体領域の表面上に前記転位を基点とし角錐又は角錐台形状に突出し且つ互いに分離している複数の量子井戸構造の活性層をエピタキシャル成長法によって形成する工程と、
前記複数の量子井戸構造の活性層の上及びこれ等の相互間にエピタキシャル成長法によって前記第1導電型と反対の第２導電型の半導体領域を形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１導電型の半導体領域の厚みが２.５μｍ以下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の製造方法。
【請求項３】
前記第１導電型の半導体領域の表面の転位密度が２×１０9〜５×１０10／ｃｍ2の範囲であることを特徴とする請求項１又は２記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１導電型の半導体領域は前記基板の上に形成された第１導電型のバッファ層と、このバッファ層の上に形成された第１導電型のクラッド層とから成ることを特徴とする請求項１又は２又は３記載の半導体発光素子の製造方法。
【請求項５】
基板と、
前記基板の表面上に配置され且つ前記基板と異なる材料で形成され且つその表面に複数の転位を有している第１導電型の半導体領域と、
前記第１導電型の半導体領域の表面上に配置され且つ前記転位を基点として角錐又は角錐台形状に突出し且つ互いに分離している複数の量子井戸構造の活性層と、
前記複数の量子井戸構造の活性層の上及びこれ等の相互間に配置された第２導電型の半導体領域と、
前記第２導電型の半導体領域に対して電気的に接続された第１の電極と、
前記第１導電型の半導体領域に対して電気的に接続された第２の電極と、
を有することを特徴とする半導体発光素子。
【請求項６】
前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流は、前記複数の量子井戸構造の活性層と前記第２導電型の半導体領域との界面を通って流れる第１の電流成分と、前記複数の量子井戸構造の活性層の相互間における前記第１導電型の半導体領域と前記第２導電型の半導体領域との界面を通って流れる第２の電流成分との合計であり、前記第１の電流成分が前記第２の電流成分よりも大きいことを特徴とする請求項５記載にの半導体発光素子。
【請求項７】
前記基板は、シリコン、シリコンカ‐バイド及びサファイアから選択された１つから成り、前記第１導電型の半導体領域、前記第２導電型の半導体領域、及び前記活性層はそれぞれ窒化物系化合物半導体から成ることを特徴とする請求項５又は６記載の半導体発光素子。
【請求項８】
前記第１導電型の半導体領域の厚みが２.５μｍ以下であることを特徴とする請求項５又は６又は７記載の半導体発光素子。
【請求項９】
前記第１導電型の半導体領域の転位密度が２×１０9〜５×１０10／ｃｍ2の範囲であることを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１０】
前記第１導電型の半導体領域は前記基板の上に形成された第１導電型のバッファ層とこのバッファ層の上に形成された第１導電型のクラッド層とから成ることを特徴とする請求項５乃至９のいずれかに記載の半導体発光素子。
【請求項１１】
前記バッファ層と前記第１導電型のクラッド層との合計の厚みが２.５μｍ以下であることを特徴とする請求項１０記載の半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、量子井戸構造を有する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】
【特許文献１】特開平８−２６４８３２号公報
【特許文献２】特開２００１−３１３４２１号公報
近年、窒化物系化合物半導体を用いた半導体発光素子として、例えば高輝度発光ダイオード等が注目されている。この種の発光素子の発光機能層に、ＩｎxＡｌyＧａ1-x-yＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）等の窒化ガリウム系化合物半導体を用いると、紫外線から緑色光までの波長帯の光を発光することができる。
【０００３】
このような半導体発光素子は、一般に、サファイア、シリコンカーバイドあるいはシリコン等から形成された基板上に、窒化ガリウム系化合物半導体から成るバッファ層、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を積層し、これをダイシング、スクライング又はへき開することにより形成されている。この種の半導体発光素子の活性層は、一般に多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi-Quantum-Well）又は単一量子井戸（ＳＱＷ：Single-Quantum-Well）構造とされる。
量子井戸構造を備えた窒化ガリウム系化合物半導体は例えば前記特許文献１に開示されている。
また、シリコン基板を使用した窒化ガリウム系化合物半導体発光素子は前記特許文献２に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しょうとする課題】
上述の半導体発光素子では、窒化物化合物半導体から成る発光機能層をこれとは異なる材料の基板上に結晶成長させるため、発光機能層に含まれている活性層に転位即ち結晶欠陥が比較的多く形成される。活性層内の転位が形成された部分及びこの周辺領域は、電子とホ−ルとの再結合が事実上発光に寄与しない非発光再結合領域になる。このため、活性層中に転位が多く形成されると、発光素子の高輝度化が達成しない。この問題点を解決するため、基板上にバッファ層とｎ型クラッド層を例えば４〜６μｍのように比較的厚く形成することが考えられるが、生産性やコストの面で実用的ではない。
【０００５】
そこで、本発明は、これらの問題点を解決できる量子井戸構造を有する半導体発光素子及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【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は、基板を用意する工程と、その表面に複数の転位が生じるように前記基板上にエピタキシャル成長法によって前記基板と異なる材料から成る第１導電型の半導体領域を形成する工程と、前記第１導電型の半導体領域の表面上に前記転位を基点として角錐又は角錐台形状に突出し且つ互いに分離している複数の量子井戸構造の活性層をエピタキシャル成長法によって形成する工程と、前記複数の量子井戸構造の活性層の上及びこれ等の相互間にエピタキシャル成長法によって前記第1導電型と反対の第２導電型の半導体領域を形成する工程とを有することを特徴とする半導体発光素子の製造方法に係わるものである。
【０００７】
なお、請求項２及び８に示すように、前記第１導電型の半導体領域の厚みが２.５μｍ以下であることが望ましい。
また、請求項３及び９に示すように、前記第１導電型の半導体領域の表面の転位密度が２×１０9〜５×１０10／ｃｍ2の範囲であることが望ましい。
また、請求項４及び１０に示すように、前記第１導電型の半導体領域は前記基板上に形成された第１導電型のバッファ層と、このバッファ層の上に形成された第１導電型のクラッド層とから成ることが望ましい。
また、請求項１１に示すように、前記第１導電型の半導体領域又はバッファ層とｎ型クラッド層の合計の厚みが２.５μｍ以下であることが望ましい。
また、請求項５に示すように、半導体発光素子は、基板と、半導体発光素子が前記基板の表面上に配置され且つ前記基板と異なる材料で形成され且つその表面に複数の転位を有している第１導電型の半導体領域と、前記第１導電型の半導体領域の表面上に配置され且つ前記転位を基点として角錐又は角錐台形状に突出し且つ互いに分離している複数の量子井戸構造の活性層と、前記複数の量子井戸構造の活性層の上及びこれ等の相互間に配置された第２導電型の半導体領域と、前記第２導電型の半導体領域に対して電気的に接続された第１の電極と、前記第１導電型の半導体領域に対して電気的に接続された第２の電極とを有することが望ましい。
また、請求項６に示すように、前記第１の電極と前記第２の電極との間を流れる電流は、前記複数の量子井戸構造の活性層と前記第２導電型の半導体領域との界面を通って流れる第１の電流成分と、前記複数の量子井戸構造の活性層の相互間における前記第１導電型の半導体領域と前記第２導電型の半導体領域との界面を通って流れる第２の電流成分との合計であり、前記第１の電流成分が前記第２の電流成分よりも大きいことが望ましい。
また、請求項７に示すように、前記基板は、シリコン、シリコンカ‐バイド及びサファイアから選択された１つから成り、前記第１導電型の半導体領域、前記第２導電型の半導体領域、及び前記活性層はそれぞれ窒化物系化合物半導体から成ることが望ましい。
【０００８】
【発明の作用及び効果】
本発明は、シリコン等の基板上に成長させる異種半導体材料中に形成される転位を積極的に利用し、この転位に基づいて角錐又は角錐台形状の活性層を形成することで半導体発光素子の高輝度化を達成するという技術的思想に基づくものである。この本発明の技術的思想は、転位密度の低い活性層を均一な厚みで形成するという従来の発光素子の技術的思想と全く異なる。
上記技術的思想に基づく各請求項の発明において、量子井戸構造を有する活性層が第１導電型の半導体領域上に転位を基点として角錐又は角錐台形状に形成されているので、活性層の内部に非発光再結合領域、即ち転位を有する領域がほとんど含まれないか又は全く含まれない。これにより、発光に寄与しない電流が減少し、発光に寄与する電流が増加し、内部発光効率が増加し、高輝度且つ高効率な半導体発光素子が得られる。
また、請求項２、８，１１の発明によれば、第１導電型の半導体領域が薄いので、生産性がが向上し、高輝度半導体発光素子の低コスト化が達成される。
また、請求項３及び９の発明によれば角錐又は角錐台形状の複数の活性層を良好に形成することができ、高い発光効率を得ることができる。
【０００９】
【実施形態】
次に、本発明の一実施形態の窒化ガリウム系化合物半導体発光素子及びその製造方法を図１〜図５を参照して説明する。
【００１０】
図１に概略的に示す本発明の実施形態に従う半導体発光素子は、不純物がドープされたシリコン単結晶基板から成る低抵抗基板１と、バッファ層２と、ｎ型クラッド層３と、角錐台形状（角錐の頂点側を切り欠いた形状）の複数の活性層４と、ｐ型クラッド層５と、第１の電極としてのアノード電極６と、第２の電極としてのカソード電極７とを有している。なお、ｎ型クラッド層３、又はバッファ層２とｎ型クラッド層３の組み合せが本発明の第１導電型の半導体領域として機能し、ｐ型クラッド層５が第２導電型の半導体領域として機能する。
【００１１】
基板１は、導電型決定不純物として、例えばＡｓ（砒素）を含むｎ型シリコン単結晶から成る。この基板１のバッファ層２が配置されている側の主面１ａは、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面である。この基板１の不純物濃度は、５×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３程度であり、この基板１の抵抗率は０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍ程度である。抵抗率が比較的低い基板１はアノード電極６とカソード電極７との間の電流通路として機能する。また、基板１は、比較的厚い約３５０μｍの厚みを有し、バッファ層２、ｎ型クラッド層３、活性層４及びｐ型クラッド層５から成る半導体領域の支持体として機能する。
【００１２】
基板１の一方の主面全体を被覆するよう配置されたバッファ層２は、図１では１つの層で概略的に示されているが、実際には図２に示すように複数の第１の層２ａと複数の第２の層２ｂとが交互に積層された複合層から成る。
バッフア層２を図２に示すように第１及び第２の層２ａ、２ｂの複合層とすることは、前記特許文献２に開示されている。しかし、本願の実施形態に従うバッファ層２は、第１及び第２の層２ａ、２ｂの積層数において前記特許文献２のバッファ層と相違している。即ち、前記特許文献２では、異種半導体接合に基づく転位を抑制するために、図２の第１及び第２の層２ａ、２ｂに相当するものが交互に５０層程度積層されている。この様にバッファ層を厚く構成すると、バッファ層の上に形成される半導体層における転位密度が少なくなり、且つ平坦性がよくなる。しかし、バッファ層を厚く形成すると、転位密度が少なくなり、本発明に従う島状に分離した複数の角錐台状の活性層４を形成することができなくなる。そこで、本願の実施形態では、基板1とバッファ層２との界面即ち異種半導体接合に形成される転位がｎ型クラッド層と活性層４との界面まで伝達されるように、バッファ層２の厚みが比較的薄く決定されている。本発明に従う角錐台状活性層４を得るためには、n型クラッド層３と活性層４との界面の転位密度を２×１０9〜５×１０10／ｃｍ2にすることが望ましい。転位密度が２×１０9／ｃｍ2よりも少なくなると、複数の角錐台状活性層４を良好に形成することができない。また、転位密度が５×１０10／ｃｍ2を超えると、転位領域と活性層との間隔が狭くなり過ぎて、活性層の内部に非発光領域の一部が形成される。転位密度を上記の好ましい範囲にするために、バッファ層２とｎ型クラッド層３との合計の厚み即ち第１導電型の半導体領域の厚みを２.５μｍ以下にすることが望ましい。但し、バッファ層２とｎ型クラッド層３との合計の厚み即ち第１導電型の半導体領域の厚みが０.３μｍを下回ると転位密度が５×１０10／ｃｍ2を越えるので望ましくない。
【００１３】
図２に示すバッファ層２の第１の層２ａは、化学式  ＡｌxＧａ1-xＮ、ここで、ｘは０＜ｘ≦１を満足する任意の数値、で示すことができる材料で形成される。即ち、第１の層２ａ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。この実施形態では、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２ａに使用されている。第１の層２ａは、絶縁性を有する極く薄い膜である。第１の層２ａの格子定数及び熱膨張係数は第２の層２ｂよりもシリコン基板１に近い。従って、第１の層２ａは第２の層２ｂよりもバッファ作用が大きい。
【００１４】
図２の第２の層２ｂは、ｎ型の導電型決定不純物を含むＧａＮ（窒化ガリウム）又は化学式  ＡｌyＧａ1-yＮ、ここで、ｙは、ｙ＜ｘ、０＜ｙ＜１を満足する任意の数値、で示すことができる材料から成るｎ型半導体の極く薄い膜である。第２の層２ｂとしてＡｌyＧａ1-yＮから成るｎ型半導体を使用する場合には、第２の層２ｂ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。第２の層２ｂは第１の層２ａの電気的接続導電体又は半導体として機能する。本実施形態の第２の層２ｂはＧａＮから成る。
【００１５】
バッファ層２の第１の層２ａの厚みは、好ましくは０．５ｎｍ〜１０ｎｍ即ち５〜１００オングストローム、より好ましくは１ｎｍ〜８ｎｍである。第１の層２ａの厚みが０．５ｎｍ未満の場合にはバッファ層２の上面に形成される全ての層３、４、５の平坦性が良好に保てなくなる。第１の層２ａの厚みが１０ｎｍ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２の電気的抵抗が増大する。
【００１６】
第２の層２ｂの厚みは、好ましくは１０ｎｍ〜５００ｎｍ即ち１００〜５０００オングストロームであり、より好ましくは１０ｎｍ〜３００ｎｍである。第２の層２ｂの厚みが１０ｎｍ未満の場合には、基板１と第２の層２ｂとの間のエネルギバンドの不連続性が比較的大きくなり、発光素子の動作時のアノード電極６とカソード電極７との間の抵抗及び電圧が比較的大きくなる。また、第２の層２ｂの厚みが１０ｎｍ未満の場合には、第２の層２ｂの上に形成される一方の第１の層２ａと第２の層２ｂの下に形成される他方の第１の層２ａとの間の電気的接続が良好に達成されず、バッファ層２の電気的抵抗が増大する。第２の層２ｂの厚みが５００ｎｍを超えた場合には、バッファ層２全体に対する第１の層２ａの割合が低下し、バッファ機能が相対的に小さくなり、バッファ層２の上の半導体領域の平坦性が良好に保てなくなる。
【００１７】
バッファ層２の上に配置されたｎ型クラッド層３は、例えばｎ型ＡｌxＧａ1-xＮ、ここでｘは０≦ｘ＜１を満足する数値、から成る窒化ガリウム系化合物半導体で形成されている。なお、この実施形態のｎ型クラッド層３はｘ＝０に相当するｎ型ＧａＮから成る。バッファ層２の最上層がｎ型ＧａＮから成る第２の層２ｂであり、この上にｎ型ＧａＮから成るｎ型クラッド層３が形成されるので、同じ導電型且つ同じ化合物半導体が連絡的に配置される。この結果、ｎ型クラッド層３を良好に成長させることができる。しかし、バッファ層２が比較的薄く形成されており、バッファ層２とｎ型クラッド層３との合計の厚みが従来の発光素子の半分程度又はそれ以下となっているので、ｎ型クラッド層３の表面の転位密度が前述した好ましい範囲になる。
【００１８】
ｎ型クラッド層３の上に形成された複数の角錐台状の活性層４は多重井戸即ちＭＱＷ（Multi-Quantum-Well）構造を有し、それぞれが複数の障壁層８と複数の井戸層９とから成る。図１、図３及び図４では、図示を簡略化するために４つの障壁層８と３つの井戸層９のみが交互に示されているが、実際には１６個の障壁層８と１５個の井戸層９とが交互に設けられている。
【００１９】
各障壁層８は、化学式ＩｎyＧａ1-yＮ、ここで、ｙは０＜ｙ≦０．５を満足する数値から成るＩｎ（インジウム）を含む窒化ガリウム系化合物半導体から成る。この障壁層８におけるｙのより好ましい範囲は０．０１〜０．１であり、更に好ましい範囲は０．０１〜０．０５である。本実施形態では、各障壁層８をｙ＝０．０３に相当するＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎで形成した。各障壁層８の厚みは、５〜２０ｎｍであることが望ましく、本実施形態では１０ｎｍとした。
各障壁層８は、井戸層９よりもＩｎの混晶比が低く、且つ井戸層９よりもバンドギャップが大きい領域である。
【００２０】
各井戸層９は、化学式ＩｎxＧａ1-xＮ、ここでｘは、０＜ｘ≦０．５、ｘ＞ｙを満足する数値、から成るＩｎを含む窒化ガリウム系化合物半導体から成る。この井戸層９は、障壁層８よりも小さいバンドギャップを得るために、障壁層８におけるＩｎの混合比ｙよりも大きいＩｎの混合比ｘを有する。井戸層９におけるｘの好ましい範囲は０．０１〜０．４であり、より好ましい範囲は０．０２〜０．３である。本実施形態では、各井戸層９をｘ＝０．２に相当するＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎで形成した。各井戸層９の厚みは１〜１０ｎｍであることが望ましく、本実施形態では３ｎｍとした。
【００２１】
各活性層４は、図３に示すように角錐台形状であって、４っの側面と２つの主面とを有する。活性層４の一方の主面（下面）はｎ型クラッド層３に接触し、他方の主面（上面）及び側面はｐ型クラッド層５に接触している。活性層４の４つの側面に障壁層８及び井戸層９がそれぞれ露出している。なお、各活性層４は、６つあるいはそれ以上の側面と２つの主面とから構成される角錐台形状にしても良い。各角錐台形状活性層４は、転位部分１０を有するｎ型クラッド層３の上にエピタキシャル成長法の１つであるＭＯＣＶＤ即ち有機金属化学気相成長法によって障壁層８及び井戸層９を成長させることによって生じる。即ち、ｎ型クラッド層３の転位部分１０の上には活性層４が成長しないので、活性層４は平坦に成長しないで角錐台状に隆起する。更に詳細には、４個の転位部分１０を基点として傾斜した４つの側面を有するように活性層４が成長する。従って、活性層４の中には転位が含まれていないか、又は含まれていても少数である。
【００２２】
ｐ型クラッド層５は第２導電型の半導体領域として機能し、第１及び第２のｐ型クラッド層５ａ、５ｂから成る。第１のクラッド層５ａは例えばｐ型不純物がド‐プされたＡｌyＧａ1-yＮここでｙは０≦ｙ＜１を満足する値、からなる窒化ガリウム系化合物半導体である。なお、Ａｌの割合を示すｙの値は０．８よりも小さいことが望ましい。この実施形態のｙは０．３である。第１のｐ型クラッド層５ａは活性層４の上面と４つの側面とを被覆し、且つ活性層４の相互間に露出する転位部分１０を含むｎ型クラッド層３の上面を被覆する。
【００２３】
第２のｐ型クラッド層は例えばｐ型不純物がド‐プされたＡｌyＧａ1-yＮ、ここでｙは、０≦ｙ＜１を満足する数値、から成る窒化ガリウム系化合物半導体から成り、この実施形態では、ｐ型ＧａＮから成る。第２のｐ型クラッド層５ｂは第１のｐ型クラッド層５ａを覆うように形成され且つ第１のｐ型クラッド層５ａよりも十分に厚く形成されている。即ち、第２のクラッド層５ｂは活性層４の相互間を完全に埋め尽くすように形成されている。このため、第２のｐ型クラッド層５ｂの上面は実質的に平坦面になっている。第１のｐ型クラッド層５ａは活性層４と第２のｐ型クラッド層５ｂとの間のバッファ層として機能しており、これを設けることが望ましいが、第１のｐ型クラッド層５ａを省いて第２のｐ型クラッド層５ｂのみを設けることもできる。また第２のｐ型クラッド層５ｂを省いて第１のｐ型クラッド５ａのみでｐ型クラッド層５を構成することもできる。
【００２４】
アノード電極６はｐ型クラッド層５の上面の一部（中央部分）に配置されている。なお、ｐ型クラッド層５とアノード電極６との間にｐ型コンタクト層を設けることができる。また、活性層４とアノード電極６との間に周知の電流制限層を設けることができる。また、ｐ型クラッド層５の上に光透過性電極を設けることができる。
カソード電極７は基板１の下面に配置されている。
【００２５】
【製造方法】
次に本発明の一実施形態に従う半導体発光素子の製造方法を説明する。
まず、ｎ型不純物が導入されたｎ+型シリコン半導体から成る基板１を用意する。バッファ層２を形成するためのシリコン基板１の一方の主面１ａは、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）ジャスト面、即ち正確な（１１１）面である。しかし、（１１１）ジャスト面に対して数度の角度範囲で基板１の主面１ａを傾斜させることができる。
【００２６】
次に、基板１の主面１ａ上に第１導電型半導体層の１部としてのバッファ層２を形成する。このバッファ層２は、エピタキシャル成長法の１種である周知のＭＯＣＶＤ（Metal  Organic  Chemical  Vapor  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２ａとＧａＮから成る第２の層２ｂとを繰返して積層することによって形成する。即ち、シリコン単結晶の基板１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ＮＨ3 （アンモニア）ガスを約２０秒間供給して、基板１の一方の主面に厚さ約５ｎｍのＡｌＮ層から成る第１の層２ａを形成する。本実施形態では基板１の加熱温度を１１２０℃とした後に、ＴＭＡガスの流量即ちＡｌの供給量を約６３μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ3 ガスの流量即ちＮＨ3 の供給量を約０．１４ｍｏｌ／ｍｉｎとした。続いて、基板１の加熱温度を１１２０℃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８０秒間供給して、基板１の一方の主面に形成された上記ＡｌＮから成る第１の層２ａの上面に、厚さ約２５ｎｍのｎ形のＧａＮから成る第２の層２ｂ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。本実施形態では、ＴＭＧガスの流量即ちＧａの供給量を約６３μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＮＨ3 ガスの流量即ちＮＨ3 の供給量を約０．１４ｍｏｌ／ｍｉｎ、ＳｉＨ4 ガスの流量即ちＳｉの供給量を約２１ｎｍｏｌ／ｍｉｎとした。本実施形態では、上述のＡｌＮから成る第１の層２ａとＧａＮから成る第２の層２ｂの形成を２０回繰り返してＡｌＮから成る第１の層２ａとＧａＮから成る第２の層２ｂとが交互に４０層積層された厚さ０.６μｍのバッファ層２形成する。勿論ＡｌＮから成る第１の層２ａ、ＧａＮから成る第２の層２ｂを任意の数に変えることもできる。
【００２７】
次に、バッファ層２の上面に周知のＭＯＣＶＤ法によってｎ型クラッド層３、活性層４及びｐ形クラッド層５を順次連続して形成す。
即ち、上面にバッファ層２が形成された基板１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２の上面にｎ型ＧａＮから成る第１導電型半導体層の１部又は全部としてのｎ型クラッド層３を形成する。ここで、シランガスはｎ型クラッド層３中にｎ型不純物としてのＳｉを導入するためのものである。本実施形態ではバッファ層２が形成された基板１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４．３μmol ／ｍｉｎ、ＮＨ3 ガスの流量即ちＮＨ3 の供給量を約５３．６ｍmol ／ｍｉｎ、シランガスの流量即ちＳｉの供給量を約１．５ｎmol ／ｍｉｎとした。また、本実施形態では、ｎ型クラッド層３の厚みを約０.４μｍとした。また、ｎ型クラッド層３の不純物濃度は約３×１０18ｃｍ-3であり、基板１の不純物濃度よりは十分に低い。なお、本実施形態によればバッファ層２が介在しているので、１０４０℃のような比較的高い温度でｎ型クラッド層３を形成することが可能になる。ｎ型クラッド層３の表面には既に説明したように転移が比較的多く分布している。
【００２８】
次に、活性層４を図１及び図３に示すように形成する。まず、ｎ型クラッド層３の上にＭＯＣＶＤ法によってノンド‐プＩｎyＧａ1-yＮからなる障壁層８を形成する。即ち、基板１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）を供給してｎ型クラッド層３の上面に例えばＩｎ0.03Ｇａ0.97Ｎからなる窒化インジウムガリウム化合物半導体の障壁層８を形成する。この工程におけるＴＭＧガスの供給量は約１０μmol／ｍｉｎであり、ＴＭＩガスの供給量は約１.０μmol／ｍｉｎである。障壁層８の厚みは約１０ｎｍである。
【００２９】
次に、障壁層８の上にＭＯＣＶＤ法によってノンド‐プのＩｎxＧａ1-xＮからなる井戸層９を形成する。即ち、反応室内にＴＭＧガス、アンモニアガスに加えてＴＭＩガスを供給して障壁層８の上面にノンド‐プのＩｎ0.2Ｇａ0.8Ｎからなる窒化インジウムガリウム化合物半導体の井戸層９を形成する。この工程におけるＴＭＧガスの供給量は約１０μmol／ｍｉｎであり、ＴＭＩガスの供給量は約１０μmol／ｍｉｎである。井戸層９の厚みは約３ｎｍである。活性層４における最も下の障壁層８の上に、井戸層９と障壁層８とを繰返して形成し、活性層４の最上層を障壁層８とする。
既に説明したように各活性層４はｎ型クラッド層３の4つの転移を基点として角錐台形状に成長する。
【００３０】
次に、反応室内にＴＭＧガス、アンモニアガス、及びトリメチルアルミニウムガス及び、ビスシクロペンタジエニルマグネシウムガス（Ｃｐ2Ｍｇガス）を供給して活性層４の上面、側面及びｎ型クラッド層３を覆うようにｐ型ＡｌＧａＮから成る第１のｐ型クラッド層５ａを形成し、更に、反応室内にＴＭＧガス、アンモニアガス及びＣｐ2 Ｍｇガスを供給して活性層４の上面にｐ型ＧａＮ（窒化ガリウム）から第２のｐ型クラッド層５ｂを形成する。
【００３１】
第１の電極としてのアノード電極６は、例えばニッケルと金を周知の真空蒸着法等によってｐ型クラッド層５の上面に付着させることによって形成し、ｐ型クラッド層５の表面に低抵抗接触させる。ｐ型クラッド層５の上面のうち、アノード電極６の形成されていない領域は、光取り出し領域として機能する。
【００３２】
第２の電極としてのカソード電極７は、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１の下面全体に形成する。
【００３３】
本実施形態の発光素子即ち発光ダイオードは次の効果を有する。
（１）  量子井戸構造を有する活性層４がｎ型クラッド層３に存在する転位１０の上に配置されず、ｎ型クラッド層３の転位１０の無い領域の上に配置されているので、活性層４の内部に非発光再結合領域、即ち転位を有する領域が生じることを良好に防止できる。また、活性層４とｐ型クラッド層５との界面に形成される電位障壁が、ｎ型クラッド層３とｐ型クラッド層５との界面に形成される電位障壁に比較して小さいので、アノ−ド電極６とカソ‐ド電極７との間に流れる電流が活性層４に良好に流れ込む。これにより活性層4を通る第1の電流成分がｐ型クラッド層5から活性層4を通らないでｎ型クラッド層３に流れる第2の電流成分よりも大きくなる。この結果、発光に寄与しない電流が減少し、発光に寄与する電流が増加し、内部発光効率が増加し、高輝度且つ高効率な半導体素子が得られる。
（２）  バッファ層２及びｎ型クラッド層３を厚く形成する必要が無いため、生産性がが向上し、高輝度半導体発光素子の低コスト化が達成される。
【００３４】
【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１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、又はサファイア等とすることができる。
（２）  シリコン基板１、バッファ層２、ｎ型クラッド層３、活性層４及びｐ型クラッド層５の導電型を実施形態と逆にすることができる。
（３）  バッファ層２、ｎ型クラッド層３、ｐ型クラッド層５のそれぞれを、ＧａＮ（窒化ガリウム）、ＡｌＩｎＮ（窒化インジウム  アルミニウム）、ＡｌＧａＮ（窒化ガリウム  アルミニウム）、ＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム）、及びＡｌＩｎＧａＮ（窒化ガリウム  インジウム  アルミニウム）から選択された窒化ガリウム系化合物半導体又は窒化インジウム系化合物半導体とすることができる。
（４）  ｎ型クラッド層３を複数の半導体層の組み合せで構成することができる。
（５）  ｎ型クラッド層３を省いてｎ型バッファ層２の上に活性層４を直接に接触させることができる。これにより、肉厚のｎ型クラッド層を介在させて活性層４を形成する場合に比較して活性層４に加わる引っ張り応力が緩和される。このため、活性層４の結晶性が良好となり、発光素子の発光特性が更に良好に得られる。
（６）  アノ−ド電極６を透明電極とすることができる。
（７）バッファ層２の第１の層２ａの数を第２の層２ｂよりも１層多くしてバッファ層2の最上層を第1の層２ａとすることができる。また、逆に第2の層２ｂの数を第1の層２ａの数よりも1層多くすることもできる。
（８）多重量子井戸構造とせずに単一量子井戸構造とすることもできる。この場合には、１つの井戸層９と２つの障壁層８で活性層を形成する。
（９）カソード電極７を、基板１を介してバッファ層２に接続する代りに、バッファ層２に直接に接続することができる。
（１０）  ｐ型クラッド層５の上にこれと同一導電型を有する電流拡散層とコンタクト層とのいずれか１つ又は両方を配置することができる。
（１１）  ｐ型コンタクト層５の上面の中央に電流制限層を設け、アノ−ド電極６を電流制限層とｐ型クラッド層５との両方に上に配置することができる。
（１２）バッファ層を多層膜以外、例えば比較的低温のエピタキシャル成長で形成した単一層のバッファ層で構成しても良い。この場合、単一のバッファ層の厚みは２.５μｍ以下とする。
（１３）各活性層を角錐形状に形成しても良い。活性層を構成する量子井戸層と障壁層の数が増加すると、活性層の頂部側に切欠け部が形成されず、角錐形状となる。
【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のバッファ層の一部を拡大して示す断面図である。
【図３】図１のｐ型クラッド層を設ける前の活性層の一部を拡大して示す斜視図である。
【図４】図３の１つの活性層を示す平面図である。
【符号の説明】
１  シリコン単結晶基板
２  バッファ層
２ａ  ＡｌＮから成る第１の層
２ｂ  ＧａＮから成る第２の層
３  ｎ型クラッド層
４   活性層
５  ｐ型クラッド層
６  アノード電極
７  カソード電極
８  障壁層
９  井戸層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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