(57)【要約】【課題】接触抵抗が低く、局所的な耐圧不良を伴わないオーミック電極を備えたＩＩＩ族窒化物半導体素子を提供すること。【解決手段】結晶基板と、同結晶基板上に気相成長された導電性のＩＩＩ族窒化物半導体（ＡｌＸＧａＹＩｎ１−（Ｘ＋Ｙ）Ｎ：０≦Ｘ＜１，０＜Ｙ≦１、及び０＜Ｘ＋Ｙ≦１）結晶層と、オーミック電極とを具備するＩＩＩ族窒化物半導体素子であって、前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層と前記オーミック電極との中間に、導電性のリン化硼素結晶層が設けられ、該リン化硼素結晶層に接触させてオーミック電極が備えられていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子。【選択図】　図１
2004146424.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶基板と、同結晶基板上に気相成長された導電性のＩＩＩ族窒化物半導体（ＡｌＸＧａＹＩｎ１−（Ｘ＋Ｙ）Ｎ：０≦Ｘ＜１，０＜Ｙ≦１、及び０＜Ｘ＋Ｙ≦１）結晶層と、オーミック電極とを具備するＩＩＩ族窒化物半導体素子であって、前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層と前記オーミック電極との中間に、導電性のリン化硼素結晶層が設けられ、該リン化硼素結晶層に接触させてオーミック電極が備えられていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項２】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層と前記リン化硼素結晶層との中間に、硼素とリンとを含む非晶質層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族窒化物半導体素子。
【請求項３】
前記リン化硼素結晶層が、不純物を故意に添加していないアンドープの導電層から構成されており、且つ前記ＩＩＩ族窒化物半導体層と同一の伝導形を呈することを特徴とする請求項１または２に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項４】
前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の｛０．０．０．１．｝−結晶面側に、前記リン化硼素結晶層が設けられており、該リン化硼素結晶層が導電性の｛１１１｝−結晶層であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項５】
前記リン化硼素結晶層の内部に、リン化硼素結晶層の＜１１１＞−結晶方位に積層欠陥、または｛１１１｝−結晶面を双晶面とする双晶が含まれてい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族窒化物半導体素子。
【請求項６】
前記リン化硼素結晶層の内部の貫通転位及びミスフィット転位の合計の密度が１×１０４個／ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子。
【請求項７】
前記結晶基板上に、前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層と前記リン化硼素結晶層とを、有機金属化学的気相堆積法により形成させることを特徴とする請求項１乃至６に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子の製造方法。
【請求項８】
ｐｎ接合型のダブルへテロ接続構造であることを特徴とする請求項１乃至６に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子からなる発光ダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶基板上にＩＩＩ族窒化物半導体（ＡｌＸＧａＹＩｎ１−（Ｘ＋Ｙ）Ｎ：０≦Ｘ＜１，０＜Ｙ≦１、及び０＜Ｘ＋Ｙ≦１）結晶層を有し、接触抵抗の小さいオーミック電極を備えたＩＩＩ族窒化物半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＩＩ族窒化物半導体素子の一例として、従来より、窒化ガリウム（ＧａＮ）系発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）、並びにショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接触型電界効果型トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。これらの素子は、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム（ＡｌａＧａｂＩｎｃＮ：０≦ａ，ｂ，ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）混晶等からなる機能層を備えた積層構造体を基に構成されている（例えば、特許文献２参照）。例えば、室温での禁止帯幅を約３．４ｅＶとするＧａＮを含む窒化ガリウム・インジウム混晶（ＧａｂＩｎｃＮ：０＜ｂ，ｃ＜１、ｂ＋ｃ＝１）は短波長ＬＥＤまたはＬＤ用途の発光層として利用されている（例えば、特許文献３参照）。積層構造体をなす一部の機能層には、オーミック性接触するオーミック電極を設けて素子が形成されている。例えば、ｎ形の窒化ガリウム（ＧａＮ）電子供給層の表面上にチタン（Ｔｉ）・アルミニウム（Ａｌ）を重層させたオーミック性ソース（ｓｏｕｒｃｅ）及びドレイン（ｄｒａｉｎ）電極を設けて高移動度型の電界効果型トランジスタが形成されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
また、上記の如くのＩＩＩ族窒化物半導体素子を構成するＡｌａＧａｂＩｎｃＮ（０≦ａ、ｂ，ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）混晶層は、従来、サファイア（α−Ａｌ２Ｏ３）を基板として堆積されている（例えば、特許文献４参照）。しかし、サファイアとＡｌａＧａｂＩｎｃＮ（０≦ａ、ｂ，ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）混晶等との格子のミスマッチ（ｍｉｓｍａｔｃｈ）は大きい。例えば、サファイアとウルツ鉱（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）結晶型ＧａＮとの格子ミスマッチ度は約１６％と大である（非特許文献２参照）。このため、例えば、サファイア基板上に成長させた窒化ガリウム層の内部には、両者間の大きな格子ミスマッチに起因して、約１×１０５個／ｃｍ２程度の多量の転位が含まれるに至っている（非特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第６，０６９，０２１号明細書
【特許文献２】
特開平１０−５６２０２号公報
【特許文献３】
特公昭５５−３８３４号公報
【特許文献４】
特開平１０−１０７３１５号公報
【非特許文献１】
赤崎勇編著、「アドバンスト・エレクトロニクスＩ−２１　ＩＩＩ族窒化物半導体」、初版、（株）培風館、１９９９年１２月８日、ｐ．２８８−２８９
【非特許文献２】
イサム・アカザキ、ヒロシ・アマノ、ヤスオ・コイデ、カズマサ・ヒラマツ、ノブヒコ・サワキ（Ｉｓａｍｕ　ＡＫＡＳＡＫＩ，　Ｈｉｒｏｓｈｉ　ＡＭＡＮＯ，　Ｙａｓｕｏ　ＫＯＩＤＥ，　Ｋａｚｕｍａｓａ　ＨＩＲＡＭＡＴＳＵ，　ａｎｄ　Ｎｏｂｕｈｉｋｏ　ＳＡＷＡＫＩ）、「エフェクツ　オブ　ＡｌＮ　バッファー　レイヤー　オン　クリスタログラフィック　ストラクチャー　アンドオン　エレクトリカル　アンド　オプティカル　プロパティーズ　オブ　ＧａＮ　アンド　Ｇａｌ−ＸＡｌＸＮ（０＜Ｘ≦０．４）　フィルムズ　グロウン　オン　サファイア　サブストレート　バイ　ＭＯＶＰＥ．（ＥＦＦＥＣＴＳ　ＯＦ　ＡｌＮ　ＢＵＦＦＥＲ　ＬＡＹＥＲ　ＯＮ　ＣＲＹＳＴＡＬＬＯＧＲＡＰＨＩＣ　ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ　ＡＮＤ　ＯＮ　ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬ　ＡＮＤ　ＯＰＴＩＣＡＬ　ＰＲＯＰＥＲＴＩＥＳ　ＯＦ　ＧａＮ　ＡＮＤ　Ｇａ１−ＸＡｌＸＮ（０＜Ｘ≦０．４）　ＦＩＬＭＳ　ＧＲＯＷＮ　ＯＮ　ＳＡＰＰＨＩＲＥ　ＳＵＢＳＴＲＡＴＥ　ＢＹ　ＭＯＶＰＥ）」、ジャーナル・オブ・クリスタル・グロース（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｇｒｏｗｔｈ）、　１９８９年、（オランダ）、第９８巻、ｐ．２０９−２１９
【非特許文献３】
赤崎勇編著、「アドバンスト・エレクトロニクスＩ−２１　ＩＩＩ族窒化物半導体」、初版、（株）培風館、１９９９年１２月８日、ｐ．２１１−２１３
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、例えば、六方晶ウルツ鉱結晶型のＧａＮの室温での禁止帯幅が約３．４ｅＶと高い様に、オーミック性接触電極を設ける必要のあるＩＩＩ族窒化物半導体（ＡｌａＧａｂＩｎｃＮ：０≦ａ、ｂ，ｃ≦１、ａ＋ｂ＋ｃ＝１）混晶層は一般に禁止帯幅が高い。
このため、接触抵抗（ｃｏｎｔａｃｔ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の充分に低いオーミック電極を得ることが困難であった。さらに、サファイア基板上に成長させたＡｌａＧａｂＩｎｃＮ結晶層では、結晶内に高密度で存在する転位を介して素子動作電流の短絡が発生するため、耐圧特性に優れるオーミック電極を形成できない問題点があった。
【０００６】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、接触抵抗が低く、局所的な耐圧不良を伴わないオーミック電極を備えたＩＩＩ族窒化物半導体素子を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層上に低転位密度で結晶性に優れるリン化硼素結晶層を設け、該リン化硼素結晶層の表面に接触させてオーミック電極を配置することによって、上記課題を解決することを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、（１）結晶基板と、同結晶基板上に気相成長された導電性のＩＩＩ族窒化物半導体（ＡｌＸＧａＹＩｎ１−（Ｘ＋Ｙ）Ｎ：０≦Ｘ＜１，０＜Ｙ≦１、及び０＜Ｘ＋Ｙ≦１）結晶層と、オーミック電極とを具備するＩＩＩ族窒化物半導体素子であって、前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層と前記オーミック電極との中間に、導電性のリン化硼素結晶層が設けられ、該リン化硼素結晶層に接触させてオーミック電極が備えられていることを特徴とするＩＩＩ族窒化物半導体素子、（２）前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層と前記リン化硼素結晶層との中間に、硼素とリンとを含む非晶質層が設けられていることを特徴とする上記（１）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子、（３）前記リン化硼素結晶層が、不純物を故意に添加していないアンドープの導電層から構成されており、且つ前記ＩＩＩ族窒化物半導体層と同一の伝導形を呈することを特徴とする上記（１）または（２）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子、（４）前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の｛０．０．０．１．｝−結晶面側に、前記リン化硼素結晶層が設けられており、該リン化硼素結晶層が導電性の｛１１１｝−結晶層であることを特徴とする上記（１）乃至（３）の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子、（５）前記リン化硼素結晶層の内部に、リン化硼素結晶層の＜１１１＞−結晶方位に積層欠陥、または｛１１１｝−結晶面を双晶面とする双晶が含まれていることを特徴とする上記（１）乃至（４）の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子、（６）前記リン化硼素結晶層の内部の貫通転位及びミスフィット転位の合計の密度が１×１０４個／ｃｍ２以下であることを特徴とする上記（１）乃至（５）の何れか１項に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子、（７）前記結晶基板上に、前記ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層と前記リン化硼素結晶層とを、有機金属化学的気相堆積法により形成させることを特徴とする上記（１）乃至（６）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子の製造方法、（８）ｐｎ接合型のダブルへテロ接続構造であることを特徴とする上記（１）乃至（６）に記載のＩＩＩ族窒化物半導体素子からなる発光ダイオード、を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。なお、この実施形態は本発明の要旨を説明するためのものであり、特に限定のない限り本発明を限定するものではない。
図１は、本発明に係るＩＩＩ族窒化物半導体素子の一実施形態の断面図を示したものである。
【００１０】
図１に示すように，本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体素子１は、略立方体状の基板１０１上に、積層構造体１１が積層されて構成されている。基板１０１としては、｛０．０．０．１｝結晶面を表面とするサファイア結晶が使用されている。積層構造体１１は、ｎ型ＧａＮからなる下部クラッド層１０２、ｎ型リン化硼素層１０３、ｎ型Ｇａ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎからなる発光層１０４、ｐ型ＧａＮ層からなる上部クラッド層１０５、及びｐ型リン化硼素層１０６が順次積層されて構成されている。また、発光層１０４、上部クラッド層１０５、及びｐ型リン化硼素層１０６のそれぞれ一部が連続して除去され、露出されたｎ型リン化硼素層１０３の表面の一部に接触させてｎ型オーミック電極１０７が設けられている。また、ｐ型リン化硼素層１０６の表面に接触させてｐ型オーミック電極１０８が設けられている。
以上のように、ＩＩＩ族窒化物半導体素子１は下部クラッド層１０２、ｎ型リン化硼素層１０３及びｎ型オーミック電極１０７からなるｎ型下層部２１と、発光層１０４と、上部クラッド層１０５、ｐ型リン化硼素層１０６及びｐ型オーミック電極１０８からなるｐ型上層部２０とから構成されている。
上述のような構成のＩＩＩ族窒化物半導体素子１は、ｐｎ接合型２重ヘテロ（ＤＨ）構造のＬＥＤとなっている。
【００１１】
本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体素子１は、特に、ＩＩＩ族窒化物半導体との格子ミスマッチの大きな単結晶を基板１０１とし、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層である下部クラッド層１０２を成長させる場合に好適に用いられる。従って、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を成膜させるための基板として、従来の砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）、立方晶または六方晶の炭化珪素（ＳｉＣ）、サファイア（α−Ａｌ２Ｏ３単結晶）等の酸化物単結晶、及び珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）等を利用する場合に特に効果的である。ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を成長するに好適な温度は一般に高温であるため、耐熱性に優れるＳｉＣ、α−Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ結晶等は基板として好ましい。
【００１２】
また、基板１０１としては、例えば、｛１００｝−或いは｛１１０｝−結晶面を表面とする立方晶閃亜鉛鉱結晶型の単結晶を用いることが好ましい。このような基板１０１を用いると、表面の面方位を｛０．０．０．１．｝または｛１．１．−２．０．｝とするＩＩＩ族窒化物半導体結晶層を基板上に堆積させることができる。｛０．０．０．１．｝または｛１．１．−２．０．｝結晶面を表面とするＩＩＩ族窒化物半導体層は、後述するリン化硼素層を堆積させるために好適に用いることができる。
【００１３】
また、ＩＩＩ族窒化物半導体素子１の特徴は、ｎ形またはｐ形のＩＩＩ族窒化物半導体層１０２，１０５の双方にリン化硼素層１０３，１０６を各々、接触させて設けていることにある。リン化硼素層１０３、１０６は、接触抵抗の特に低いオーミック電極１０７、１０８を設けるための導電層として機能する。接触抵抗の低いｎ形またはｐ形のオーミック電極を形成するためには、電極を設ける半導体層は、キャリア濃度が１×１０１８ｃｍ−３、更に好ましくは１×１０１９ｃｍ−３以上である低抵抗結晶層であること、及び基板或いはＩＩＩ族窒化物層からの転位の伝搬を回避して低い転位密度の結晶層であることが望まれる。リン化硼素（ＢＰ）や砒化硼素（ＢＡｓ）等のようなイオン結合性が殆ど無い、共有結晶性の半導体結晶を用いると、キャリア濃度が高いｎ形及びｐ形の低抵抗の導電層を形成することができる。しかも、これらの化合物半導体結晶では、不純物を故意に添加しないアンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）状態でも、この様な高キャリア濃度の半導体層を形成することができる。
特に、本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体素子１の如く、発光層１０４からの発光を外部に取り出す方向（図１に例示するＩＩＩ族窒化物半導体素子１にあっては、発光層１０４より上部クラッド層１０５に向かう方向である。）に在るオーミック電極１０８を設ける結晶層１０６は、発光を吸収せずに外部に充分に透過できる禁止帯の大きな結晶層、すなわちリン化硼素結晶層により構成されるのが最善である。さらに、ＬＥＤにおいては、外部への発光透過層としての作用を得るためには、より禁止帯幅の大きなリン化硼素は好適な構成材料である。
【００１４】
上述のＩＩＩ族窒化物半導体素子１は、以下のようにして製造することができる。まず、基板１０１の表面上に、例えば、有機金属化学的気相堆積法（ＭＯＣＶＤ）手段に依り窒化ガリウム（ＧａＮ）等のＩＩＩ族窒化物半導体層を堆積し、下部クラッド層１０２とする。基板表面上にＩＩＩ族窒化物半導体層を成長させるための別の手段には、ハロゲン（ｈａｌｏｇｅｎ）法、ハイドライド（ｈｙｄｒｉｄｅ）法や分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）手段を挙げられる。その後、ｎ型リン化硼素層１０３、ｎ型Ｇａ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎからなる発光層１０４、ｐ型ＧａＮ層からなる上部クラッド層１０５、及びｐ型リン化硼素層１０６を順次同一の成長手段で形成する。各層１０２〜１０６を同一の成長手段で形成すると、省力的に簡便に積層構造体を形成することができる。積層構造体１１の形成を終了した後、その一部である発光層１０４、上部クラッド層１０５、及びｐ型リン化硼素層１０６のそれぞれ一部を連続して除去してｎ形リン化硼素層１０３の表面を露出させる。その後、露出させたｎ形リン化硼素層１０３の一部領域上にｎ形オーミック電極１０７を設け、上部クラッド層１０５上のｐ形リン化硼素層１０６の表面に接触させてｐ形オーミック電極１０８を配置して、ｐｎ接合型２重ヘテロ（ＤＨ）構造のＬＥＤであるＩＩＩ族窒化物半導体素子１を製造する。
【００１５】
リン化硼素層１０３及び１０６は、上述の気相成長手段により形成できる。例えば、トリエチエル硼素（分子式：（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ）／ホスフィン（分子式：ＰＨ３）を原料とし、常圧（略大気圧）または減圧ＭＯＣＶＤ手段により形成できる。具体的には、常圧ＭＯＣＶＤ手段に依れば、基板温度を約１０００℃〜１２００℃の温度とし、且つ成長反応系へ供給する原料の濃度比率（ＰＨ３／（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ）、所謂、Ｖ／ＩＩＩ比率を例えば、約１０００とすれば、アンドープでｐ形のリン化硼素層を形成できる。基板温度を７５０℃〜約１０００℃とすれば、アンドープでｎ形のリン化硼素層を得るに好都合となる。伝導形にかかわらず、ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体層上に形成されたリン化硼素層は、ＧａＮ等のＩＩＩ族窒化物半導体層に内在するミスフィット転位或いは貫通転位の上層への伝搬を防止する効果がある。
【００１６】
上述のＩＩＩ族窒化物半導体層に内在するミスフィット転位は、例えば、基板１０１、下部クラッド層１０２、及びリン化硼素層１０３を含む部分の断面ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）像により観察することができる。サファイア基板１０１との格子ミスマッチに起因して、基板１０１と下部クラッド層１０２を構成するＧａＮ層との接合界面１０１ａには、多量のミスフィット転位が発生している。ＧａＮ層の層厚の増加に伴い、ミスフィット転位の単位面積あたりの数、所謂、転位密度は減少するものの、リン化硼素層１０３との接合界面１０２ａの直下の領域では依然、約１×１０５個／ｃｍ２と高密度である。しかし、転位の延在は、リン化硼素層１０３との接合界面１０２ａで阻止されている。従って、リン化硼素層１０３の内部へは転位の侵入、伝搬は認められない。即ち、ＩＩＩ族窒化物半導体層にヘテロ（異種）接合させたリン化硼素層は、ＩＩＩ族窒化物半導体層からの転位の伝搬を阻止する能力を発揮する。
一般に、耐圧不良を顕著に発生させないためには、転位密度を１×１０４個／ｃｍ２とすることが好ましいが，本実施形態のＩＩＩ族窒化物半導体素子１によると、上述のように転位密度が１×１０４個／ｃｍ２以下である低転位密度のリン化硼素層を形成することができる。
【００１７】
また、下部クラッド層１０２及び／又は上部クラッド層１０５に用いられる、例えば，ＧａＮのようなＩＩＩ族窒化物半導体結晶層の｛０．０．０．１．｝−結晶面に接して，｛１１１｝−リン化硼素結晶層をリン化硼素結晶層１０３及び／又は１０６として設けることが好ましい。
リン化硼素結晶層に好適に成長される閃亜鉛鉱結晶単量体のリン化硼素の格子定数は０．４５８ｎｍである。その｛１１０｝−格子面の間隔は、ウルツ鉱結晶型ＧａＮのａ軸格子定数（０．３１９ｎｍ）と略一致する。また、リン化硼素結晶の｛１１１｝−格子面の間隔は、ウルツ鉱結晶型ＧａＮのｃ軸格子定数（０．５２９ｎｍ）の半値と略一致する。従って、ＧａＮの｛０．０．０．１．｝−結晶表面上に形成される｛１１１｝−リン化硼素結晶層は、特に、格子のミスマッチに起因するミスフィット転位の少ない良質な結晶層となる。
【００１８】
更に、＜１１１＞−結晶方位に沿って積層欠陥（ｓｔａｃｋｉｎｇ　ｆａｕｌｔ）を含むリン化硼素層は、特にミスフィット転位の少ない良質のリン化硼素結晶層として利用できる。また、｛１１１｝−結晶面を双晶面とする｛１１１｝−双晶を含むリン化硼素層も好適に使用できる。積層欠陥或いは双晶がミスフィット転位を吸収する作用を有するため、リン化硼素層の内部には、転位は殆ど発生せず、局所的な耐圧不良（ｌｏｃａｌ　ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）を起こさないオーミック電極を形成することができる。積層欠陥或いは双晶を含むリン化硼素層は、７５０℃〜１２００℃の基板温度範囲で、それを成長させる速度（成長速度）を、毎分１０ｎｍ以上に設定するのが好適である。
【００１９】
なお、本実施形態には設けられていないが、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層とリン化硼素結晶層の中間に、硼素とリンとを含む非晶質層を設けることができる。硼素とリンとを含む非晶質層を設けることにより、連続性のあるリン化硼素層を得ることができる。非晶質層を構成する硼素やリンが、リン化硼素結晶層を形成するに際し、「成長核」を提供することとなり、リン化硼素結晶層の円滑な成長促進に貢献できるからである。このとき、非晶質層の層厚は、２〜５０ｎｍであることが好ましい。層厚が５０ｎｍを超えると単結晶のリン化硼素結晶層の形成が阻害され好ましくない。また、２ｎｍ未満の層厚では、ＩＩＩ族窒化物半導体層の表面の全面を均等に被覆するに至らず、即ち、ＩＩＩ族窒化物半導体層の表面に均一に「成長核」を形成できす、連続性のある平坦な表面のリン化硼素層を安定して得ることができないため好ましくない。硼素とリンとを含む非晶質層は、例えば、ＭＯＣＶＤ手段により、温度２５０℃〜１２００℃の範囲に於いて、Ｖ／ＩＩＩ比率を２〜５０の低比率とすることにより得られる。非晶質層であるか否かは、Ｘ線または電子線回折法等に依り調査できる。また、その層厚は例えば、断面ＴＥＭ技法等に依り正確に実測できる。
【００２０】
オーミック電極を設置して設けるリン化硼素層の伝導形は、リン化硼素層に接合するＩＩＩ族窒化物半導体層の伝導形と同一とする。例えば、ｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体層に接合させて設けたｎ形リン化硼素層に接触させてｎ形オーミック電極を設ける。
【００２１】
次に，第二実施形態を示す。本実施形態では上層部２０が図２に示すような構成となっている。具体的には、ｎ形のＩＩＩ族窒化物半導体層１１２上に設けられたｐ形リン化硼素層１１１に接合し、且つｎ形のＩＩＩ族窒化物半導体層１１２にも接合する様に設けられたｎ形リン化硼素層１１０に接触させて、ｎ形オーミック電極１０７が設けられている。
この構成では、ｐ形リン化硼素層１１１とｎ形リン化硼素層１１０とのｐｎ接合に依り、ｎ形オーミック電極１０７から、直下のｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体層１１２への素子動作電流の短絡的な流通が阻止され、ｎ形ＩＩＩ族窒化物半導体層１１２の広範囲に亘り、平面的に動作電流を拡散できる利点がある。この様なｐ形及びｎ形リン化硼素層との接合構成に依る電流狭窄構造を備えたオーミック電極１０７は、ＩＩＩ族窒化物半導体ＬＤを構成するに優位に利用できる。低接触抵抗のオーミック電極や電流狭窄作用を発揮させるには、リン化硼素層の層厚は５０ｎｍ以上が好ましい。また、５００ｎｍ以下とするのが好ましい。
また、リン化硼素層１１１、リン化硼素層１１０、オーミック電極１０７、及びＩＩＩ族窒化物半導体層１１２の伝導形は本実施形態と逆になっていてもよい。
【００２２】
【実施例】
以下本発明の実施例を説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２３】
（第１実施例）
本実施例では、窒化ガリウム（ＧａＮ）層とリン化硼素層とのヘテロ接合を備えたＬＥＤを製造した。図３に、本実施例のＬＥＤ２の断面模式図を示す。図３に於いて、図１または図２に記載したのと同一の構成要素については、同一の符号を振って掲示してある。
【００２４】
基板１０１として、（０．０．０．１．）−結晶面を表面とするサファイア単結晶を用い、（０．０．０．１．）表面上に、トリメチルガリウム（（ＣＨ３）３Ｇａ）／アンモニア（ＮＨ３）原料系常圧ＭＯＣＶＤ手段に依り、ｎ形ＧａＮ層である下部クラッド層１０２を堆積した。これにより、｛０．０．０．１．｝−結晶面を表面とする窒化ガリウム（ＧａＮ）層が得られた。下部クラッド層１０２の層厚は２．８×１０−４ｃｍ（＝２．８μｍ）で、キャリア濃度は２×１０１８ｃｍ−３であった。
【００２５】
下部クラッド層１０２上には、硼素とリンとを含むアンドープの非晶質層１０９を堆積した。非晶質層１０９は、（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ／ＰＨ３／Ｈ２系常圧ＭＯＣＶＤ手段を用いて１０２５℃で堆積した。層厚は１２ｎｍとした。非晶質層１０９上には、（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ／ＰＨ３／Ｈ２系常圧ＭＯＣＶＤ手段を用いてリン化硼素結晶層１０３を１０２５℃で堆積した。リン化硼素層１０３は、アンドープでキャリア濃度を２×１０１９ｃｍ−３とするｎ形層で、その層厚は１５０ｎｍとした。
【００２６】
リン化硼素層１０３上には、（ＣＨ３）３Ｇａ／トリメチルインジウム（分子式：（ＣＨ３）３Ｉｎ）／ＮＨ３／Ｈ２系常圧ＭＯＣＶＤ手段に依り、Ｇａ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎからなる発光層１０４を８５０℃で気相成長させた。その層厚は５０ｎｍとし、キャリア濃度は約３×１０１８ｃｍ−３とした。発光層１０４上には、上記の（ＣＨ３）３Ｇａ／ＮＨ３／Ｈ２常圧ＭＯＣＶＤ手段でｐ形ＧａＮからなる上部クラッド層１０５を気相成長させた。上部クラッド層１０５の層厚は１５０ｎｍとした。上部クラッド層１０５をなすＧａＮ層のキャリア濃度は約６×１０１７ｃｍ−３とした。
【００２７】
上部クラッド層１０５の成長を終了した後、積層体を構成する下部クラッド層１０２、非晶質層１０９、リン化硼素層１０３、及び発光層１０４の内部の結晶学的構造を断面ＴＥＭ技法に依り調査した。制限視野電子線回折技法から、基板１０１の（０．０．０．１．）−サファイア結晶面上に設けた下部クラッド層１０２（ＧａＮ層）は｛０．０．０．１．｝−結晶層であり、また、下部クラッド層１０２（ＧａＮ層）上のリン化硼素層１０３は、｛１１１｝−結晶層であった。また、高分解能明視野コントラスト像では、サファイア基板１０１との接合界面１０１ａの近傍の下部クラッド層１０２には、約５×１０１１個／ｃｍ２の多量のミスフィット転位が存在しているのを示した。下部クラッド層１０２の非晶質層１０９との接合界面１０２ａの近傍の領域では、転位密度は約５×１０９個／ｃｍ２に減少していた。また、下部クラッド層１０２からの転位は、非晶質層１０９との接合界面１０２ａで、非晶質層１０９及びリン化硼素層１０３の内部への侵入を阻止されていた。このため、リン化硼素層１０３にはミスフィット転位は殆ど認められなかった。一方で、リン化硼素層１０３の内部には、｛１１１｝−結晶方位に沿った積層欠陥或いは双晶が存在した。これらの積層欠陥または双晶は、下部クラッド層１０２との接合界面１０２ａから発生していた。これらの積層欠陥或いは双晶に因り転位が吸収されるため、リン化硼素層１０３の内部には転位が殆ど無くなるものと判断された。
【００２８】
また、リン化硼素層１０３の積層欠陥または双晶は一部、上層のＧａ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎ発光層１０４の内部に侵入していた。しかし、｛１１１｝−リン化硼素層１０３の表面に交差する｛１１０｝−結晶面の格子面間隔と、発光層１０４をなすＧａ０．９０Ｉｎ０．１０Ｎのａ軸格子定数との整合性の良好さから、発光層１０４の内部には転位の存在は殆ど認められなかった。
【００２９】
次に、上部クラッド層１０５をなすＧａＮ層と発光層１０４の一部の領域を選択パターニング技術及びプラズマエッチング技術を利用して削除した。これより、ｎ形リン化硼素層１０３の表面を露出させた。次に、露出させたｎ形リン化硼素層１０３の表面に、金・ゲルマニウム合金（Ａｕ９５重量％・Ｇｅ５重量％）からなるｎ形オーミック電極１０７を配置した。Ａｕ・Ｇｅオーミック電極１０７の接触抵抗は約６×１０−６Ω／ｃｍ２に低減された。因みに、同様のキャリア濃度のｎ形ＧａＮ層に直接、接触して設けたＡｕ・Ｇｅオーミック電極の接触抵抗は大凡、１０−３Ω／ｃｍ２程度であった。一方、残置させた上部クラッド層１０５の表面には、酸化ニッケル（ＮｉＯ）／金（Ａｕ）重層構造のｐ形オーミック電極１０８を設けて、ｐｎ接合型ＤＨ構造のＬＥＤ２を構成した。
【００３０】
ｎ形及びｐ形のオーミック電極１０７、１０８との間に順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流して、一辺が約３．５×１０−２ｃｍの正方形に裁断したＬＥＤチップ２の発光特性を確認した。以下に得られた発光特性を纏める。
（１）発光色：青紫
（２）発光中心波長：約４３０（ｎｍ）
（３）輝度（チップ状態）：約７（ｍｃｄ）
（４）順方向電圧：約３．８（Ｖ）（但し、順方向電流を２０ｍＡとした場合）（５）逆方向電圧：１２Ｖ（但し、逆方向電流を１０μＡとした場合）
また、ｎ形オーミック電極１０７を低い転位密度のリン化硼素層１０３に接触させて設けたため、下部のＧａＮ層への短絡的な動作電流の流通が回避され、動作電流を下部クラッド層１０２に広範囲に拡散できた。このため、ＬＥＤ２では、発光層１０４の略全面から発光がもたらされているのが近視野発光像からも確認された。
【００３１】
（第２実施例）
本実施例では，ｎ形及びｐのオーミック電極の双方をリン化硼素層上に配置してＬＥＤを製造した。
図４に本実施例のＬＥＤ３の断面模式図を示す。図１乃至３の何れかに記載の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付して掲示する。
【００３２】
第１実施例の記載と同一の条件で、（０．０．０．１．）−サファイア基板１０１上に、第１実施例に記載の各層１０２〜１０５を順次、堆積した。然る後、ｐ形上部クラッド層１０５上に、アンドープでｎ形のリン化硼素層１１０を堆積した。ｎ形リン化硼素層１１０は、（Ｃ２Ｈ５）３Ｂ／ＰＨ３／Ｈ２系常圧ＭＯＣＶＤ手段を用いて８５０℃で堆積した。キャリア濃度は１×１０１９ｃｍ−３とし、層厚は１２０ｎｍとした。ｎ形リン化硼素層１１０の成長を終了した後、ｐ形オーミック電極１０８を形成する予定の直下の領域に限り、ｎ形リン化硼素層１１０を円形に残存させた。残存させたｎ形リン化硼素層１１０の平面積は、円形のｐ形オーミック電極１０８の底面積に対して１．２倍とした。ｐ形オーミック電極１０８を形成する予定の領域外のｎ形リン化硼素層１１０はプラズマエッチング手段により除去し、下層のｐ形上部クラッド層１０５の表面を露出させた。
【００３３】
その後、残存させたｎ形リン化硼素層１１０及び露出させたｐ形上部クラッド層１０５の表面を被覆する様に、アンドープのｐ形リン化硼素層１１１を堆積した。ｐ形リン化硼素層１１１も上記と同一のＭＯＣＶＤ手段により１０２５℃で成長させた。ｐ形リン化硼素層１１１のキャリア濃度は２×１０１９ｃｍ−３とし、層厚は２００ｎｍとした。
【００３４】
次いで、ｎ形オーミック電極１０８を形成する予定の領域に限りｐ形リン化硼素層１１１，上部クラッド層１０５、及び発光層１０４を選択パターニング技術及びプラズマエッチング技術に依り除去した。除去した後、露出させたｎ形リン化硼素層１０３の表面にＡｕ・Ｇｅ合金のｎ形オーミック電極１０７を設けた。また、残置させたｎ形リン化硼素層１１０の上方には、ｐ形リン化硼素層１１１の表面に接触させて金・ベリリウム合金（Ａｕ９９重量％・Ｂｅ１重量％）からなる直径が１．３×１０−２ｃｍ（＝１３０μｍ）の円形のｐ形オーミック電極１０８を設けた。円形ｐ形オーミック電極１０８は、残存させたｎ形リン化硼素層１１０の中心に一致させて設けた。これより、ｐｎ接合型ＤＨ構造のＬＥＤ３を構成した。ｐ形オーミック電極１０８の接触抵抗は５×１０−６Ω／ｃｍ２となった。
【００３５】
電子線回折法及び断面ＴＥＭ技法を利用した観察に依れば、上部クラッド層１０５をなすｐ形ＧａＮ層の表面に接合させて設けたｎ形リン化硼素層１１０、ｎ形リン化硼素層１１０に接合させたｐ形リン化硼素層１１１の内部には、ミスフィット転位は殆ど認められず、転位密度は明らかに１×１０４個／ｃｍ２以下であった。一方で、リン化硼素の＜１１１＞−結晶方向に平行に積層欠陥（ｓｔａｃｋｉｎｇ　ｆａｕｌｔ）や双晶の存在していた。従って、ｎ形及びｐ形オーミック電極１０７，１０８は、ミスフィット転位の極めて低いリン化硼素層１０３，１１１に形成されるものとなった。
【００３６】
ｎ形及びｐ形のオーミック電極１０７、１０８との間に順方向に２０ミリアンペア（ｍＡ）の動作電流を通流して、一辺を約４．０×１０−２ｃｍとする正方形のＬＥＤチップ３の発光特性を確認した。以下に得られた発光特性を纏める。（１）発光色：青紫
（２）発光中心波長：約４４０（ｎｍ）
（３）輝度（チップ状態）：約９（ｍｃｄ）
（４）順方向電圧：約３．６（Ｖ）（但し、順方向電流を２０ｍＡとした場合）（５）逆方向電圧：１５Ｖ（但し、逆方向電流を１０μＡとした場合）
【００３７】
ｎ形及びｐ形オーミック電極１０７，１０８の双方を低転位密度のリン化硼素層１０３、１１１に接触させて設ける構成としたので、ＬＥＤ３は局所的な耐圧不良も発生させない特に、耐圧特性に優れるものとなった。また、ｐ形オーミック電極１０８の下方には、ｎ形及びｐ形のリン化硼素層１１０、１１１からなるｐｎ接合構造を埋設する構成としたので、ｐ形オーミック電極１０８から直下の上部クラッド層１０５への短絡的な流通が回避され、併せて、ｐ形クラッド層１０５の略全面に敷設したｐ形リン化硼素層１１１を介して動作電流は上部クラッド層１０５の略全面に拡散できた。このため、ＬＥＤ３の発光層１０４の略全面から発光が得られることとなった。更に、ｐ形オーミック電極１０８を設けるリン化硼素層１１１は、室温で約３．０ｅＶの禁止帯幅を有するため、発光層１０４からの発光を遮蔽せず、外部に充分に透過するに効果的であった。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明のＩＩＩ族窒化物半導体素子には、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層とオーミック電極の中間に、リン化硼素結晶層が設けられているため、ＩＩＩ族窒化物半導体結晶層から伝搬する転位の侵入を阻止したり、或いは転位を吸収したりすることができる。従って，リン化硼素結晶層に接触させてオーミック電極を設けることにより、局所的な耐圧不良が少なく、且つ接触抵抗の低いオーミック電極が形成でき、耐圧特性に優れるＩＩＩ族窒化物半導体発光素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＩＩＩ族窒化物半導体素子の一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明のＩＩＩ族窒化物半導体素子の上層部の第二実施形態を示す断面図である。
【図３】第１実施例に記載の発光ダイオードの断面模式図である。
【図４】第２実施例に記載の発光ダイオードの断面模式図である。
【符号の説明】
１・・・ＩＩＩ族窒化物半導体素子、１１・・・積層構造体、２０・・・上層部、２１・・・下層部、１０１・・・基板、１０２・・・下部クラッド層、１０３，１０６，１１０，１１１・・・リン化硼素層、１０４・・・発光層、１０５・・・上部クラッド層、１０７，１０８・・・オーミック電極、１０９・・・非晶質層
【図１】
2004146424.tif 000003
【図２】
2004146424.tif 000004
【図３】
2004146424.tif 000005
【図４】
2004146424.tif 000006