(57)【要約】窒化物系半導体素子を形成するためにｐ型不純物がドープされ且つ十分な導電性を有するｐ型シリコン基板（１）を用意する。シリコン基板（１）の上に、ＡｌＮから成る第１のバッファ層（１１）、ｎ−ＩｎＧａＮから成る第２のバッファ層（１２）、ｎ−ＧａＮから成るｎ型窒化物半導体層（１３）、活性層（１４）、及びｐ−ＧａＮから成るｐ型窒化物半導体層（１５）を順次にエピタキシャル成長させる。エピタキシャル成長時の加熱処理によって第１の層（１１）のＡｌ、第２の層１２のＧａ及びＩｎがｐ型シリコン基板（１）に拡散してｐ型シリコン基板（１）とバッファ層（１１）との間に合金層（２）が形成される。Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎは合金層（２）に隣接するｐ型シリコン基板（１）の内部にも拡散するが、Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎはシリコンに対してｐ型不純物として機能し且つシリコン基板（１）がｐ型であるので、シリコン基板（１）中にｐｎ接合が形成されない。この結果、窒化物系半導体素子の駆動電圧が低くなる。
2004109782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有しているｐ型シリコン基板と、
前記ｐ型シリコン基板の一方の主面上に形成され且つ少なくともガリウムとアルミニウムとシリコンとを含んでいる合金層と、
前記合金層の上に配置された少なくとも１つのｎ型窒化物半導体層を含むバッファ領域と、
前記バッファ領域の上に配置された半導体素子の主要部を形成するための主半導体領域と、
前記主半導体領域に接続された第１の電極と、
前記ｐ型シリコン基板の他方の主面に接続された第２の電極と
を備えていることを特徴とする窒化物系半導体素子。
【請求項２】
前記合金層は、前記ｐ型シリコン基板との界面又はこの界面近傍において電子及び正孔を発生させ且つ電子及び正孔を再結合させる機能を有していることを特徴とする請求項１に従う窒化物系半導体素子。
【請求項３】
前記合金層は、ガリウムとインジウムとアルミニウムとシリコンとの合金層であることを特徴とする請求項１に従う窒化物系半導体素子。
【請求項４】
前記バッファ領域は、前記合金層の上に形成された少なくともアルミニウムを含む窒化物半導体から成る第１のバッファ層と前記第１のバッファ層の上に形成された少なくともガリウムを含むｎ型窒化物半導体から成る第２のバッファ層とを有していることを特徴とする請求項１に従う窒化物系半導体素子。
【請求項５】
前記バッファ領域の前記第１のバッファ層は、
化学式  ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ，
ここで、ｘ及びｙは０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
０＜ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示すことができる材料から成ることを特徴とする請求項４に従う窒化物系半導体素子。
【請求項６】
前記バッファ領域の前記第１のバッファ層は、２ｎｍ〜６０ｎｍの厚さを有する窒化アルミニウム層であることを特徴とする請求項５に従う窒化物系半導体素子。
【請求項７】
前記バッファ領域の前記第２のバッファ層は、
化学式  ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ，
ここで、ａ及びｂは０≦ａ＜１、
０≦ｂ＜１、
ａ＜ｘ、
を満足する数値、
で示すことができる材料にｎ型不純物が添加されたものであるから成ることを特徴とする請求項５に従う窒化物系半導体素子。
【請求項８】
前記バッファ領域の前記第２のバッファ層は、インジウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体から成ることを特徴とする請求項７に従う窒化物系半導体素子。
【請求項９】
前記バッファ領域は、更に、前記第２のバッファ層の上に多層構造のバッファ領域を有し、
前記多層構造のバッファ領域は、Ａｌ（アルミニウム）を第１の割合で含む窒化物半導体から成る複数の第１の層と、Ａｌを含まない又は前記第１の割合よりも小さい第２の割合で含む窒化物半導体から成る複数の第２の層とから成り、前記第１の層と前記第２の層とが交互に積層されていることを特徴とする請求項４に従う窒化物系半導体素子。
【請求項１０】
前記主半導体領域は発光ダイオードを形成するための領域であって、少なくとも活性層とこの活性層の上に配置されたｐ型窒化物半導体層とを有しており、前記第１の電極は前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されたアノード電極であり、前記第２の電極はカソード電極であることを特徴とする請求項１に従う窒化物系半導体素子。
【請求項１１】
前記第１の電極は前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続された光透過性を有する導電膜と、前記導電膜の表面の一部の上に形成された接続用金属層とから成ることを特徴とする請求項１０に従う窒化物系半導体素子。
【請求項１２】
前記接続用金属層は、前記ｐ型窒化物半導体層との間にショットキー障壁を形成することができる材料から成ることを特徴とする請求項１１に従う窒化物系半導体素子。
【請求項１３】
更に、前記ｐ型窒化物半導体層と前記導電膜との間に配置されたｎ型補助窒化物半導体層を有していることを特徴とする請求項１１に従う窒化物系半導体素子。
【請求項１４】
前記主半導体領域はトランジスタを構成するための領域であって、少なくともｐ型ベース領域とｎ型エミッタ領域とを有し、前記第１の電極は前記ｎ型エミッタ領域に電気的に接続されたエミッタ電極であり、前記第２の電極はコレクタ電極であり、更に、前記ｐ型ベース領域に電気的に接続されたベース電極を有していることを特徴とする請求項１に従う窒化物系半導体素子。
【請求項１５】
前記主半導体領域は絶縁ゲート型電界効果トランジスタを構成するための領域であって、少なくともｐ型ボデイ領域と該ｐ型ボデイ領域に隣接配置されたｎ型ソース領域とを有し、前記第１の電極は前記ｎ型ソース領域に電気的に接続されたソース電極であり、前記第２の電極はドレイン電極であり、更に、ゲート電極を有していることを特徴とする請求項１に従う窒化物系半導体素子。
【請求項１６】
導電性を有しているｐ型シリコン基板を用意する工程と、
前記ｐ型シリコン基板上に少なくともガリウムとアルミニウムとシリコンとを含んでいる合金層を形成する工程と、
前記合金層の上に少なくともガリウムを含むｎ型窒化物半導体をエピタキシャル成長させてバッファ層を得る工程と、
前記バッファ層の上に半導体素子の主要部を形成するための窒化物半導体をエピタキシャル成長させて主半導体領域を得る工程と
を有していることを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
【請求項１７】
導電性を有しているｐ型シリコン基板を用意する工程と、
前記ｐ型シリコン基板上に少なくともアルミニウムを含む窒化物半導体をエピタキシャル成長させて第１のバッファ層を得る工程と、
前記第１のバッファ層の上に少なくともガリウムを含むｎ型窒化物半導体をエピタキシャル成長させて第２のバッファ層を得る工程と、
前記第２のバッファ層の上に半導体素子の主要部を形成するための窒化物半導体をエピタキシャル成長させて主半導体領域を得る工程と
を有し、前記主半導体領域を得る工程中に、前記第１のバッファ層のアルミニウムと前記第２のバッファ層のガリウムを前記ｐ型シリコン基板に拡散させて前記ｐ型シリコン基板と前記第１のバッファ層との間に少なくともガリウムとアルミニウムとシリコンとを含んでいる合金層を得ることを特徴とする窒化物系半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、トランジスタ等の窒化物系半導体素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】  窒化物系半導体素子を構成するための基板はサファイア又はシリコンカーバイト又はシリコンから成る。シリコン基板はサファイア基板及びシリコンカーバイト基板に比べて切断が容易であり、低コスト化が可能であるという特長を有する。また、シリコン基板はサファイア基板では得ることできない導電性を得ることができる。このため、シリコン基板を電流通路として使用することができる。しかし、シリコン基板と窒化物半導体との間の電位障壁のために比較的大きい電圧降下が生じ、発光ダイオードの駆動電圧が比較的高くなる。
日本の特許公開公報２００２−２０８７２９号（以下、特許文献１と言う。）にシリコン基板における上記の欠点を解決するための技術が開示されている。この特許文献１では、ｎ型シリコン基板上に、バッファ層としてのＡｌＮ（窒化アルミニウム）層、シリコン基板と同一の導電型を有するｎ型ＩｎＧａＮ（窒化ガリウムインジウム）層、ｎ型ＧａＮ（窒化ガリウム）層、ＩｎＧａＮから成る活性層、及びｐ型ＧａＮ層が順次にエピタキシャル成長されている。この技術によると、ＩｎＧａＮ層のＩｎとＧａ、及びＡｌＮ層のＡｌがシリコン基板に拡散し、シリコン基板の表面領域にＧａとＩｎとＡｌとＳｉとから成る合金層即ち金層化合物領域が生じる。この合金層は、シリコンとＡｌＮとの間のヘテロ接合の電位障壁を下げる機能を有する。この結果、発光ダイオードに所定の電流を流す時の駆動電圧を低くすることができ、電力損失が低減し、発光ダイオードの効率が向上する。
しかし、このような金層化合物領域を形成した場合でも、ＡｌＮ層及びｎ型ＩｎＧａＮ層のＡｌ、Ｉｎ及びＧａがｎ型シリコン基板に拡散する。Ａｌ、Ｉｎ及びＧａ等の３族元素はシリコンに対してｐ型不純物として機能するので、ｎ型シリコン基板の表面部分にｐ型領域が形成され、シリコン基板中にｐｎ接合が生じる。このｐｎ接合は約０．６Ｖの順方向電圧降下を生じさせる。この結果、シリコン基板と窒化物半導体との間の電位障壁は比較的大きく、発光ダイオードの電圧降下即ち駆動電圧はサファイア基板を使用した発光ダイオードに比べて１．２倍程度高くなる。
上述の電圧降下及び駆動電圧が高いという問題は、発光ダイオード以外のトランジスタ等の別の窒化物系半導体素子においても生じる。
発光ダイオードの別な問題として、光の取り出しと電気的接続との両方を満足する電極を容易に形成することが困難であるという問題がある。即ち、一般的には発光機能を有する半導体領域の表面に例えば酸化インジュムと酸化錫との混合物から成る透明電極を設け、更に透明電極の表面上のほぼ中央にワイヤ等を接続するためのボンディングパッド電極を設ける。透明電極は例えば１０ｎｍ程度の厚みの薄い導体膜であるので、ボンディングパッド電極の金属材料が透明電極又は透明電極と半導体領域との両方に拡散し、半導体領域とボンィングパッド電極との間にショットキー障壁が形成される。このショットキー障壁は発光ダイオードの順方向電流を阻止する機能を有するので、半導体領域におけるボンディングパッド電極の下の部分に流れる電流が抑制され、半導体領域の外周側部分の電流が増大される。ところで、ｎ型シリコン基板を使用することによって発光ダイオードの順方向の駆動電圧が大きくなると、シリコン基板及び半導体領域における電力損失も大きくなり、ここでの発熱量も大きくなり、前述のショットキー障壁の特性が劣化し、このショットキー障壁を通るリーク電流が増大し、逆に外周側部分の電流が減少する。ポンディングパッド部分は光非透過性であるので、半導体領域の中央内部での発光量は増大しても外部に取り出す光量はほとんど増大しない。また、半導体領域の外周部分の電流が減少すると半導体領域の外周部分の内部での発光量が少なくなり、透明電極を介して外部に取り出される光量も減少する。このため、ｎ型シリコン基板を使用して高い発光効率を有する発光ダイオードを得ることができなかった。なお、ボンディングパッド電極の下部の電流を制限するために、ボンディングパッド電極と半導体領域との間に絶縁性材料から成る電流ブロック層を設けた発光ダイオードが公知であるが、電流ブロック層を形成するための特別な工程が必要になり、発光ダイオードのコストが必然的に高くなる。
【発明の開示】
本発明の目的は、シリコン基板が使用されている窒化物系半導体素子の電圧降下及び駆動電圧の低減を図ることにある。
上記目的を達成するための本発明は、
導電性を有しているｐ型シリコン基板と、
前記ｐ型シリコン基板の一方の主面上に形成され且つ少なくともガリウムとアルミニウムとシリコンとを含んでいる合金層と、
前記合金層の上に配置された少なくとも１つのｎ型窒化物半導体層を含むバッファ領域と、
前記バッファ領域の上に配置された半導体素子の主要部を形成するための主半導体領域と、
前記主半導体領域に接続された第１の電極と、
前記ｐ型シリコン基板の他方の主面に接続された第２の電極と
を備えていることを特徴とする窒化物系半導体素子に係るものである。
前記半導体素子の主要部とは、半導体素子の活性部又は能動部を意味する。また、前記半導体素子は前記第１及び第２の電極の他に更に別の電極を有することができる。
前記半導体素子として発光ダイオードを構成する時には、前記主半導体領域に少なくとも活性層とｐ型窒化物半導体層とを含めることが望ましい。
前記半導体素子としてトランジスタを構成する時には、前記主半導体領域に少なくともｐ型ベース領域とｎ型エミッタ領域とを含めることが望ましい。
前記半導体素子として絶縁ゲート型電界効果トランジスタを構成する時には、前記主半導体領域に少なくともｐ型ボデイ領域とｎ型ソース領域とを含めることが望ましい。
前記合金層は、前記ｐ型シリコン基板との界面又はこの界面近傍において電子及び正孔を発生させ且つ電子及び正孔を再結合させる機能を有していることが望ましい。
前記合金層は、ガリウムとインジウムとアルミニウムとシリコンとの合金層であることが望ましい。
前記バッファ領域は、前記合金層の上に形成された少なくともアルミニウムを含む窒化物半導体から成る第１のバッファ層と前記第１のバッファ層の上に形成された少なくともガリウムを含むｎ型窒化物半導体から成る第２のバッファ層とを有していることが望ましい。
前記バッファ領域の前記第１のバッファ層は、
化学式  ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ，
ここで、ｘ及びｙは０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
０＜ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示すことができる材料から成ることが望ましい。
前記バッファ領域の前記第１のバッファ層は、２ｎｍ〜６０ｎｍの厚さを有する窒化アルミニウム層であることが望ましい。
前記バッファ領域の前記第２のバッファ層は、
化学式  ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ，
ここで、ａ及びｂは０≦ａ＜１、
０≦ｂ＜１、
ａ＜ｘ、
を満足する数値、
で示すことができる材料にｎ型不純物が添加されたものであるから成ることが望ましい。
前記バッファ領域の前記第２のバッファ層は、インジウムとガリウムとを含むｎ型窒化物半導体から成ることが望ましい。
前記バッファ領域は、更に、前記第２のバッファ層の上に多層構造のバッファ領域を有し、前記多層構造のバッファ領域は、Ａｌ（アルミニウム）を第１の割合で含む窒化物半導体から成る複数の第１の層と、Ａｌを含まない又は前記第１の割合よりも小さい第２の割合で含む窒化物半導体から成る複数の第２の層とから成り、前記第１の層と前記第２の層とが交互に積層されていることが望ましい。
前記主半導体領域は発光ダイオードを形成するための領域であって、少なくとも活性層とこの活性層の上に配置されたｐ型窒化物半導体層とを有しており、前記第１の電極は前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続されたアノード電極であり、前記第２の電極はカソード電極であることが望ましい。
前記第１の電極は前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続された光透過性を有する導電膜と、前記導電膜の表面の一部の上に形成された接続用金属層とから成ることが望ましい。
前記接続用金属層は、前記ｐ型窒化物半導体層との間にショットキー障壁を形成することができる材料から成ることが望ましい。
前記窒化物系半導体素子は、更に、前記ｐ型窒化物半導体層と前記導電膜との間に配置されたｎ型補助窒化物半導体層を有していることが望ましい。
前記主半導体領域はトランジスタを構成するための領域であって、少なくともｐ型ベース領域とｎ型エミッタ領域とを有し、前記第１の電極は前記ｎ型エミッタ領域に電気的に接続されたエミッタ電極であり、前記第２の電極はコレクタ電極であり、更に、前記ｐ型ベース領域に電気的に接続されたベース電極を有していることが望ましい。
前記主半導体領域は絶縁ゲート型電界効果トランジスタを構成するための領域であって、少なくともｐ型ボデイ領域と該ｐ型ボデイ領域に隣接配置されたｎ型ソース領域とを有し、前記第１の電極は前記ｎ型ソース領域に電気的に接続されたソース電極であり、前記第２の電極はドレイン電極であり、更に、ゲート電極を有していることが望ましい。
また、本発明に従う窒化物系半導体素子を製造する方法は、導電性を有しているｐ型シリコン基板を用意する工程と、
前記ｐ型シリコン基板上に少なくともガリウムとアルミニウムとシリコンとを含んでいる合金層を形成する工程と、
前記合金層の上に少なくともガリウムを含むｎ型窒化物半導体をエピタキシャル成長させてバッファ層を得る工程と、
前記バッファ層の上に半導体素子の主要部を形成するための窒化物半導体をエピタキシャル成長させて主半導体領域を得る工程と
を有していることが望ましい。
また、窒化物系半導体素子を製造する方法は、導電性を有しているｐ型シリコン基板を用意する工程と、
前記ｐ型シリコン基板上に少なくともアルミニウムを含む窒化物半導体をエピタキシャル成長させて第１のバッファ層を得る工程と、
前記第１のバッファ層の上に少なくともガリウムを含むｎ型窒化物半導体をエピタキシャル成長させて第２のバッファ層を得る工程と、
前記第２のバッファ層の上に半導体素子の主要部を形成するための窒化物半導体をエピタキシャル成長させて主半導体領域を得る工程と
を有し、更に、前記主半導体領域を得る工程中に、前記第１のバッファ層のアルミニウムと前記第２のバッファ層のガリウムを前記ｐ型シリコン基板に拡散させて前記ｐ型シリコン基板と前記第１のバッファ層との間に少なくともガリウムとアルミニウムとシリコンとを含んでいる合金層を得ることが望ましい。
本発明においては、ｎ型窒化物半導体層を含むバッファ領域を有するにも拘らず、ｐ型シリコン基板が使用されている。このため、バッファ領域に含まれているＧａ，Ａｌ等の３族の元素がｐ型シリコン基板に拡散しても、これらの元素はシリコンに対してｐ型不純物であるので、ｐ型シリコン基板にｐｎ接合が生じない。また、前記合金層は、ｐ型シリコン基板との界面において電子及び正孔を発生させ且つ電子及び正孔を再結合させる機能を有している。この結果、ｐ型シリコン基板とｎ型バッファ領域との間のヘテロ接合の電位障壁が低下し、半導体素子の駆動電圧の大幅な低減が容易に達成される。
また、バッファ領域が設けられているので、結晶性の良い主半導体領域を得ることができる。
また、本発明の具体例に従って、前記発光ダイオードの前記第１の電極が前記ｐ型窒化物半導体層に電気的に接続された光透過性を有する導電膜と前記導電膜の表面の一部の上に形成された接続用金属層とから成る場合には、前述したように接続用金属層と半導体領域との間にショットキー障壁が生じ、このショットキー障壁が発光ダイオードの順方向電流を阻止する機能を発揮する。しかし、もし、発光ダイオードの電力損失及び発熱が大きと、ショットキー障壁による発光ダイオードの順方向電流の阻止機能が低下する。これに対し、本発明の具体例に従う発光ダイオードの電力損失及び発熱は小さいので、ショットキー障壁による発光ダイオードの順方向電流の阻止機能が低下を抑制することができ、発光効率が向上する。
【図面の簡単な説明】  図１は本発明の実施例１に従う発光ダイオードを概略的に示す断面図である。
図２は図１の発光ダイオード及び従来の発光ダイオードの順方向電圧と電流の関係を示す特性図である。
図３は図１の発光ダイオードの駆動電圧の低減効果を従来の発光ダイオードと比較して示すエネルギバンド図である。
図４は本発明の実施例２に従う発光ダイオードを概略的に示す断面図である。
図５は本発明の実施例３に従う発光ダイオードを概略的に示す断面図である。
図６は本発明の実施例４に従う発光ダイオードを概略的に示す断面図である。
図７は本発明の実施例５に従う発光ダイオードを概略的に示す断面図である。
図８は本発明の実施例６に従うトランジスタを概略的に示す断面図である。
図９は本発明の実施例７に従う電界効果トランジスタを概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】  次に、本発明の実施形態を図１〜図９を参照して説明する。
【実施例１】  図１に示す実施例１に従う窒化物系半導体素子としての発光ダイオードは、ｐ型シリコン基板１と、合金層２と、バッファ領域３と、発光ダイオードの主要部を構成するための主半導体領域４と、第１及び第２の電極５，６とを有している。バッファ領域３はｐ型シリコン基板１上にエピタキシャル成長された第１のバッファ層１１とｎ型の第２のバッファ層１２とから成る。主半導体領域４はバッファ領域３上にエピタキシャル成長されたｎ型窒化物半導体層１３と活性層１４とｐ型窒化物半導体層１５とから成る。活性層１４から放射された光は第１の電極５が配置されている主半導体領域４の主面から外部に取り出される。
ｐ型シリコン基板１は、本発明の特徴的構成要件であり、この上にｎ型の第２のバッファ層１２が配置されているにも拘らず、これとは逆の導電型を有している。このシリコン基板１にはｐ型不純物として機能する例えばＢ（ボロン）等の３族の元素が例えば５×１０１８ｃｍ−３〜５×１０１９ｃｍ−３程度の濃度でドーピングされている。従って、シリコン基板１は、０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍ程度の低い抵抗率を有している導電性基板であって、第１及び第２の電極６，７間の電流の通路となる。また、このシリコン基板１は、この上のバッファ領域３、及び主半導体領域４等の機械的支持基板として機能することができる厚み、例えば３５０ｎｍを有する。
ｐ型シリコン基板１の上の合金層２は、シリコン（Ｓｉ）とガリウム（Ｇａ）とインジウム（Ｉｎ）とアルミニウム（Ａｌ）との合金層である。この合金層２とシリコン基板１との界面、及びこの合金層２とバッファ領域３との界面において電子及び正孔が発生し、且つ電子及び正孔の再結合が生じる。従って、この合金層２は、電位障壁低減層と呼ぶこともできるものであって、シリコン基板１とバッファ領域３との間に生じる電位障壁を低くする機能を有する。電位障壁低減効果を十分に得るために合金層２を平均で５ｎｍ以上の厚さにすることが望ましい。なお、この合金層２は均一の厚さを有していてもよいし、不均一の厚さを有していてもよい。この合金層２の生成の詳細は追って説明する。
バッファ領域３は、合金層２の上に配置され、且つＡｌ（アルミニウム）を第１の割合で含む窒化物半導体から成る第１のバッファ層１１と、Ａｌを含まない又は前記第１の割合よりも小さい第２の割合で含むｎ型窒化物半導体から成る第２のバッファ層１２との組み合わせで形成されている。
第１のバッファ層１１は、例えば
化学式  ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、
ここでｘ及びｙは０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
０＜ｘ＋ｙ≦１を満足する数値、
で示される窒化物半導体から成る。図１の実施形態の第１のバッファ層１１はｘ＝１、ｙ＝０に相当する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。第１のバッファ層１１の厚みは１〜６０ｎｍ範囲であることが望ましい。また、第１のバッファ層１１の厚みは量子力学的トンネル効果を得ることが可能な１〜１０ｎｍであることがより望ましく、更に、２〜３ｎｍであることが最も望ましい。図１の実施形態の第１のバッファ層１１は厚さ約３ｎｍに形成されている。なお、第１のバッファ層１１に例えばシリコン（Ｓｉ）等のｎ型不純物をドーピングすることができる。また、第１のバッファ層１１にＢ（ボロン）を添加することができる。Ｂ（ボロン）を含む第１のバッファ層１１は、
化学式  ＡｌｘＭｙＧａ１−ｘ−ｙＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択
された少なくとも１種の元素、
前記ｘ及びｙは、  ０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示すことができる。
シリコン基板１の面方位をＧａを含む窒化物半導体からなる第２のバッファ層１２に良好に受け継がさせるために、Ａｌを含む第１のバッファ層１１は、これとｐ型シリコン基板１との間の格子定数との差が第２のバッファ層１２とｐ型シリコン基板との間の格子定数の差よりも小さい材料で形成されていることが望ましい。また、第１のバッファ層１１は、これとｐ型シリコン基板１との間の熱膨張係数の差が、第２のバッファ層１２又は主半導体領域４〜４ｃとｐ型シリコン基板１との間の熱膨張係数の差よりも小さい材料であることが特性上望ましい。また、第１のバッファ層１１は、第２のバッファ層１２に含まれているＩｎ及びＧａのシリコン基板１に対する拡散開始を遅延させる機能を有する。これ等の機能を得るために第１のバッファ層１１は２ｎｍ〜６０ｎｍの厚さを有していることが望ましい。
バッファ領域３の第２のバッファ層１２は、少なくともガリウム（Ｇａ）を含むｎ型窒化物半導体、例えば
化学式  ＡｌａＩｎｂＧａ１−ａ−ｂＮ、
ここでａ及びｂは０≦ａ＜１、
０≦ｂ＜１、
ａ＜ｘ、
ｙ＜ｂを満足する数値、
で示される窒化物半導体にｎ型不純物を添加したものから成る。この実施形態の第２のバッファ層１２は厚さ３０ｎｍのｎ型窒化ガリウムインジウム（Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｎ）から成る。なお、第２のバッファ層１２にＢ（ボロン）を添加することができる。Ｂ（ボロン）を含む第２のバッファ層１２は、
化学式  ＡｌａＭｂＧａ１−ａ−ｂＮ
ここで、前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボロン）とから選択
された少なくとも１種の元素、
前記ａ及びｂは、  ０≦ａ＜１、
０≦ｂ≦１、
ａ＋ｂ≦１、
ａ＜ｘ
を満足させる数値、
で示すことができる。
第１及び第２のバッファ層１１、１２の組成はエピタキシャル成長工程中に隣接する領域との相互拡散により変化する。従って、ここでの第１及び第２のバッファ層１１、１２の成分はこれら主成分を示す。
ＧａとＩｎとを含む第２のバッファ層１２はこの上に主半導体領域４を形成するためのバッファ機能の他に、エピタキシャル成長工程中にＧａとＩｎとをシリコン基板１に供給する機能を有する。第２のバッファの層１２の厚さは、Ｇａ、Ｉｎをシリコン基板１に必要十分に供給するために１ｎｍ以上に設定することが望ましく、この第２のバッファの層１２のクラックを防止するために５００ｎｍ以下に設定することが望ましい。
周知のタブルヘテロ構造の発光ダイオードのための主半導体領域４は、第２のバッファ層１２の上に順次に配置されたｎ型窒化物半導体層１３と活性層１４とｐ型窒化物半導体層１５とから成る。なお、主半導体領域４を発光機能領域と呼ぶこともできる。
主半導体領域４のｎ型窒化物半導体層１３は、例えば
化学式  ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、
ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、
０≦ｙ＜１、を満足する数値、
で示される窒化物半導体にｎ型不純物をドーピングしたもので形成される。この実施形態のｎ型窒化物半導体層１３は化学式のｘ＝０、ｙ＝０に相当するｎ型ＧａＮから成り、厚さ約２μｍを有する。このｎ型窒化物半導体層１３は、発光ダイオードのｎクラッド層と呼ばれることもある。
活性層１４は、例えば
化学式  ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、
ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、
０≦ｙ＜１、を満足する数値、
で示される窒化物半導体で形成される。この実施形態では活性層１４が窒化ガリウムインジウム（ＩｎＧａＮ）で形成されている。なお、図１では活性層１４が１つの層で概略的に示されているが、実際には周知の多重量子井戸構造を有している。勿論、活性層１４を１つの層で構成することもできる。また、この実施形態では活性層１４に導電型決定不純物がドーピングされていないが、ｐ型又はｎ型不純物をドーピングすることができる。
活性層１４の上に配置されたｐ型窒化物半導体層１５は、例えば
化学式  ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、
ここでｘ及びｙは０≦ｘ＜１、
０≦ｙ＜１、を満足する数値、
で示される窒化物半導体にｐ型不純物をドーピングしたもので形成される。この実施形態のｐ型窒化物半導体層１５は厚さ５００ｎｍのｐ型ＧａＮで形成されている。なお、このｐ型窒化物半導体層１５はｐクラッド層と呼ばれることもある。
主半導体領域４を構成するｎ型窒化物半導体層１３、活性層１４及びｐ型窒化物半導体層１５は、バッファ領域３を介してシリコン基板１の上に形成されているので、その結晶性は比較的良好である。
アノード電極として機能する第１の電極５はｐ型窒化物半導体層１５の表面の一部に接続され、カソード電極として機能する第２の電極６はｐ型シリコン基板１の下面に接続されている。なお、第１の電極５を接続するためにｐ型窒化物半導体層１５の上にコンタクト用のｐ型窒化物半導体層を追加して設け、ここに第１の電極５を接続することができる。
次に、図１の発光ダイオードの製造方法を説明する。
まず、ミラー指数で示す結晶の面方位において（１１１）面とされた主面を有するｐ型シリコン基板１を用意する。
次に、シリコン基板１に対してＨＦ系のエッチング液によって周知の水素終端処理を施す。
次に、基板１を周知のＯＭＶＰＥ（Ｏｒｇａｎｏｍｅｔａｌｌｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ）即ち有機金属気相成長装置の反応室に投入し、例えば１１７０℃まで昇温する。次に、１１７０℃で１０分間のサーマルクリーニングを行って、基板１の表面の酸化膜を取り除いた後、例えば１１００℃まで温度を下げて安定させ、しかる後ＯＭＶＰＥ法によってバッファ領域３の第１のバッファ層１１として窒化アルミニウム層（ＡｌＮ層）を例えば３ｎｍの厚さに形成する。この窒化アルミニウム層は、反応室にトリメチルアルミニウムガス（以下、ＴＭＡと言う。）を例えば、６３μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアガス（ＮＨ３）を例えば、０．１４ｍｏｌ／ｍｉｎの割合で供給することによって形成される。
次に、ＴＭＡの供給を停止し、シリコン基板１の温度を９５０℃まで下げ、しかる後、ＯＭＶＰＥ装置の反応室内に、トリメチルインジウムガス（以下、ＴＭＩと言う。）を例えば、５９μｍｏｌ／ｍｉｎ、トリメチルガリウムガス（以下、ＴＭＧと言う。）を例えば、６．２μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアガスを例えば、０．２３ｍｏｌ／ｍｉｎ、及びシランガス（ＳｉＨ４）を例えば、２１ｎｍｏｌ／ｍｉｎの割合で供給し、ＡｌＮから成る第１のバッファ層１１の上面に厚さ約３０ｎｍのｎ型Ｉｎ０．５Ｇａ０．５Ｎからなる第２のバッファ層１２を形成する。なお、シランガスはｎ型不純物としてのシリコンを導入するために使用されている。
この第２のバッファ層１２のＧａ及びＩｎは拡散可能な物質であるが、ＡｌＮから成る第１のバッファ層１１が設けられており、この第１のバッファ層１１がＧａ及びＩｎの拡散遅延機能を有しているので、第２のバッファ層１２の形成中にＧａ及びＩｎが第１のバッファ層１１を通ってシリコン基板１に拡散し難い。従って、第２のバッファ層１２のエピタキシャル成長中に、この結晶性の劣化が生じない。
次に、主半導体領域４のｎ型ＧａＮから成るｎ型窒化物半導体層１３を形成するために、ＯＭＶＰＥ装置の反応室に対するＴＭＧ、ＴＭＩ、及びＳｉＨ４の供給を止めて基板１の温度を１１１０℃まで上げる。この後、例えば、ＴＭＧを４．３μｍｏｌ／ｍｉｎ、シラン（ＳｉＨ４）を１．５ｎｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアを５３．６ｍｍｏｌ／ｍｉｎの割合で反応室に供給する。これにより２μｍの厚さのｎ型ＧａＮから成るｎ型窒化物半導体層１３が得られる。このｎ型窒化物半導体層１３の不純物濃度は例えば３×１０１８ｃｍ−３であり、基板１の不純物濃度よりは低い。ｎ型窒化物半導体層１３の形成開始時には、この下の第２のバッファ層１２の結晶性は良好に保たれているので、主半導体領域４のｎ型窒化物半導体層１３は第２の層１２の結晶性を受け継いだ良好な結晶性を有する。第２のバッファ層１２のＧａ及びＩｎはｎ型窒化物半導体層１３の形成の後半にＡｌＮから成る第１のバッファ層１１に僅かに拡散するが、図１に示した合金層２はまだ形成されない。なお、第１のバッファ層１１の厚みの調整によって、ｎ型窒化物半導体層１３の形成中にＧａ及びＩｎを基板１に拡散させることもできる。
次に、ｎ型クラッド層として機能するｎ型窒化物半導体層１３の上に、周知の多重量子井戸構造の活性層１４を形成する。図１では図示を簡略化するために多重量子井戸構造の活性層１４が１つの層で示されているが、実際には複数の障壁層と複数の井戸層とから成り、障壁層と井戸層とが交互に例えば４回線繰返して配置されている。この活性層１４を形成する時には、ｎ型ＧａＮ層から成るｎ型窒化物半導体層１３の形成後に、ＯＭＶＰＥ装置の反応室へのガスの供給を停止して基板１の温度を８００℃まで下げ、しかる後、ＴＭＧとＴＭＩとアンモニアとを反応室に所定の割合で供給し、例えばＩｎ０．０２Ｇａ０．９８Ｎから成り且つ厚み１３ｎｍを有している障壁層を形成し、次に、ＴＭＩの割合を変えて例えばＩｎ０．２Ｇａ０．８Ｎから成り且つ例えば厚み３ｎｍを有している井戸層を形成する。この障壁層及び井戸層の形成を例えば４回繰り返すことによって多重量子井戸構造の活性層１４が得られる。活性層１４はこの下のｎ型窒化物半導体層１３の結晶性を受け継いで、良好な結晶性を有する。なお、活性層１４に例えばｐ型の不純物をドーピングすることができる。
この実施形態では、活性層１４の形成期間の途中から第２のバッファ層１２のＧａ及びＩｎが第１のバッファ層１１を通って基板１に拡散し、且つ第１のバッファ層１１のＡｌも基板１に拡散する。活性層１４の形成期間の後半には、基板１の表面側領域に図１に示すＳｉとＧａとＩｎとＡｌとの合金層２が形成される。この合金層２の形成期間は第１のバッファ層１１の厚みで調整可能である。基板１に拡散したＧａ，Ｉｎ，Ａｌの全てが合金層２にならず、合金層２よりも深くにＧａ，Ｉｎ，Ａｌの全部又は一部を含むｐ型不純物拡散領域１６が生じる。しかし、基板１がｐ型であるので、導電型の反転は生じない。
次に、シリコン基板１の温度を１１１０℃まで上げ、ＯＭＶＰＥ装置の反応室内に、例えばトリメチルガリウムガス（ＴＭＧ）を４．３μｍｏｌ／ｍｉｎ、アンモニアガスを５３．６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ビスシクロペンタジェニルマグネシウムガス（以下、Ｃｐ２Ｍｇと言う。）を０．１２μｍｏｌ／ｍｉｎ供給し、活性層１４上に厚さ約５００ｎｍのｐ型ＧａＮからなるｐ型窒化物半導体層１５を形成する。マグネシウム（Ｍｇ）は例えば３×１０１８ｃｍ−３の濃度に導入され、ｐ型不純物として機能している。
次に、第１及び第２の電極５を周知の真空蒸着法によって形成し、発光ダイオードを完成させる。
図２の特性線Ａは上述の第１の実施形態に従う発光ダイオードに、第１の電極５が正、第２の電極６が負の順方向電圧を印加した時、この発光ダイオードに流れる電流を示す。図２のＢの特性線は、基板１を前記特許文献１と同様にｎ型シリコン基板にした従来の発光ダイオードに順方向電圧を印加した時の発光ダイオードの電流を示す。この図２から明らかなように、２０ｍＡの電流を発光ダイオードに流すために必要な駆動電圧は、特性線Ａの時には３．３６Ｖであり、特性線Ｂの時には３．９８Ｖである。従って、基板１の導電型を従来のｎ型からｐ型に変更するという極めて簡単な方法によって２０ｍＡの電流を流すための駆動電圧を０．６２Ｖ低下させることができる。
図３は発光ダイオードの順方向の駆動電圧を低下できる理由を説明するためのエネルギバンド図であり、Ｅｃは伝導帯、Ｅｖは価電子帯、Ｅｆはフェルミ準位を示す。
図３（Ａ）には、ｎ型Ｓｉ基板（ｎ−Ｓｉ）にｎ型ＧａＮ層を直接にエピタキシャル成長をさせた時のエネルギバンド状態が示されている。この図３（Ａ）では、比較的高い高さＢＨ１を有する電位障壁が生じている。
図３（Ｂ）には、前記特許文献１において図１のＡｌＮから成る第１のバッファ層１１を無視できる程度に薄くした場合における基板とＩｎＧａＮ層との間のエネルギバンド状態が示されている。この図３（Ｂ）では、ｎ型シリコン基板（ｎ−Ｓｉ）の表面側に合金層が形成され、これにより、図３（Ａ）に示す高さＢＨ１の電位障壁が抑制されている。しかし、基板にＧａ拡散領域が形成されている。このＧａ拡散領域はｐ型半導体領域であるため、シリコン基板（ｎ−Ｓｉ）にｐｎ接合が生じ、高さＢＨ２の電位障壁が生じている。
図３（Ｃ）には、本実施形態に従ってｐ型シリコン基板（ｐ−Ｓｉ）を使用した時のエネルギバンド状態が図３（Ｂ）と同様に示されている。本実施形態では、ｐ型シリコン基板１を使用するため、ｐ型不純物であるＧａ，Ｉｎ，Ａｌがｐ型シリコン基板１に拡散してもｐｎ接合が形成されない。ｎ−ＧａＩｎＮ層とｐ−Ｓｉ層との間に高さＢＨ３の電位障壁があるが、この電位障壁の高さＢＨ３は図３（Ｂ）の高さＢＨ２よりは低く且つ合金層が介在しているので、ここでの電圧降下は極めて小さい。
上述から明らかなように、本実施形態によれば、主半導体領域４の結晶性を良好に保って発光ダイオードの駆動電圧の大幅な低減を容易に達成できる。即ち、ｎ型バッファ領域３を有するにも拘らず、ｐ型シリコン基板１が使用されている。このため、バッファ領域３に含まれているＡｌ，Ｇａ，Ｉｎ等の３族の元素がｐ型シリコン基板１に拡散しても、これらの元素はシリコンに対してｐ型不純物であるので、ｐ型シリコン基板１にｐｎ接合が生じない。従って、前記特許文献１で生じたシリコン基板におけるｐｎ接合による電圧降下に相当するものが本発明に従うｐ型シリコン基板１では生じない。また、合金層２は、ｐ型シリコン基板１との界面において電子及び正孔を発生させ、且つ電子及び正孔を再結合させる機能を有するので、ｐ型シリコン基板１とｎ型バッファ領域３との間のヘテロ接合の電位障壁が低下する。従って、この実施形態によって発光ダイオードの駆動電圧の大幅な低減を容易に達成することができる。
また、バッファ領域３が設けられているので、結晶性の良い主半導体領域４を得ることができる。
【実施例２】  次に、図４に示す実施例２の発光ダイオードを説明する。但し、図４及び後述する図５〜図９において図１と実質的に同一の部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
図４の発光ダイオードは、図１のバッファ領域３に多層構造のバッファ領域２０を付加し、この他は図１と同一に構成したものである。図４の変形されたバッファ領域３ａは、図１と同一に形成された第１及び第２のバッファ層１１，１２の上に、多層構造バッファ領域２０を配置することによって構成されている。
図４の多層構造バッファ領域２０は、繰返して交互に配置された複数の第１の層２１と複数の第２の層２２とによって構成されている。複数の第１の層２１はＡｌ（アルミニウム）を第１の割合で含む窒化物半導体から成る。複数の第２の層２２はＡｌを含まない又は前記第１の割合よりも小さい第２の割合で含む窒化物半導体から成る。
前記第１の層２１は、例えば
化学式  ＡｌｘＭｙＧａ１−ｘ−ｙＮ
ここで、前記Ｍは、Ｉｎ（インジウム）とＢ（ボロン）と
から選択された少なくとも１種の元素、
前記ｘ及びｙは、  ０＜ｘ≦１、
０≦ｙ＜１、
ｘ＋ｙ≦１
を満足する数値、
で示される材料から成り且つ量子力学的トンネル効果を得ることが可能な厚み、例えば１〜１０ｎｍを有していることが望ましい。なお、この実施例では第１の層２１はＡｌＮから成り、導電型決定不純物を含んでいない。しかし、第１の層２１にシリコン（Ｓｉ）等のｎ型不純物をドープすることができる。
前記第２の層２２は、例えば
化学式  ＡｌａＭｂＧａ１−ａ−ｂＮ
ここで、前記ＭはＩｎ（インジウム）とＢ（ボロン）と
から選択された少なくとも１種の元素、
前記ａ及びｂは、  ０≦ａ＜１、
０≦ｂ≦１、
ａ＋ｂ≦１、
ａ＜ｘ
を満足させる数値、
で示される材料にｎ型不純物としてのシリコン（Ｓｉ）を添加したものから成ることが望ましい。また、この第２の層２２は第２のバッファ層１２と同一の窒化物半導体で形成することが望ましく、この実施例ではｎ型ＧａＮからなる。なお、第２の層２２の厚みは量子力学的なエネルギー準位が発生しない厚みである１０μｍ以上にするのが好ましい。
バッファ領域３ａの多層構造のバッファ領域２０を形成する時には、第２の層１２の形成後に、反応室に例えばＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）を５０μｍｏｌ／ｍｉｎとシラン（ＳｉＨ４）を２０ｎｍｏｌ／ｍｉｎとアンモニアを０．１４ｍｏｌ／ｍｉｎの割合で流して、厚さ５ｎｍのＡｌＮから成る第１の層２１をエピタキシャル成長させる。その後、ＴＭＡの供給を止め、シランとアンモニアの供給は継続し、これ等と共にＴＭＧを５０μｍｏｌ／ｍｉｎの割合で流して厚さ２５ｎｍのＧａＮから成る第２の層２２をエピタキシャル成長させる。第１及び第２の層２１，２２の形成工程を２０回繰返して多層構造のバッファ領域２０を得る。図４では図示を簡単にするために第１及び第２の層２１，２２がそれぞれ４層のみ示されている。
なお、第１及び第２の層２１，２２を第１及び第２のバッファ層１１，１２と同一に形成し、第１及び第２のバッファ層１１，１２を多層構造のバッファ領域２０の一部と見なすこともできる。
図４に示すように多層構造のバッファ領域２０を追加するとバッファ領域３ａの最上面の平坦性が改善される。
【実施例３】  図５に示す実施例３の発光ダイオードは、図１の発光ダイオードからｎ型窒化物半導体層１３を省き、且つ図１のｐ型ＧａＮから成るｐ型窒化物半導体領域１５の代わりにＩｎＧａＮから成るｐ型窒化物半導体領域１５ａを設けたものに相当する。従って、図５の発光ダイオードの主半導体領域４ａは、活性層１４とｐ型窒化物半導体領域１５ａとから成る。また、バッファ領域３の第２の層１２はダブルヘテロ構造のための図１のｎ型窒化物半導体領域１３と同様な機能を有する。図５に示す発光ダイオードによっても図１の発光ダイオードと同様な効果を得ることができる。
【実施例４】  図６に示す実施例４の発光ダイオードは、変形された第１の電極５ａを有し、この他は図１と同一に構成されている。
図６の第１の電極５ａは、主半導体領域４の表面即ちｐ型窒化物半導体層１５の表面のほぼ全体に形成された光透過性導電膜５１と、この導電膜５１の表面上のほぼ中央部分に形成されたボンディングパッド電極と呼ぶこともできる接続用金属層５２とから成る。
光透過性導電膜５１は、酸化インジュム（Ｉｎ２Ｏ３）と酸化錫（ＳｎＯ２）との混合物、又は酸化インジュム（Ｉｎ２Ｏ３）、又は酸化錫（ＳｎＯ２）で形成され、活性層１４で発生した光を透過させる機能を有する。この光透過性導電膜５１は１０ｎｍ程度の厚みを有し、ｐ型窒化物半導体層１５に抵抗性接触している。
接続用金属層５２は、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ａｌ（アルミニウム）等の金属から成り、図示されていないワイヤのボンディングを許す厚みに形成されている。この接続用金属層５２は、ｐ型窒化物半導体層１５との間にショットキー障壁を形成することができる材料から成ることが望ましい。この接続用金属層５２は導電膜５１よりも厚いので、主半導体領域４で発生した光を実質的に透過させない。図示はされていないが、接続用金属層５２の形成時又はこの後の工程において接続用金属層５２の金属が導電膜５１、又は導電膜５１と主半導体領域４の表面の一部に拡散し、接続用金属層５２と主半導体領域４との間にショットキー障壁が形成されている。
第１の電極５ａの電位が第２の電極６の電位よりも高い順方向電圧が第１及び第２の電極５ａ、６間に印加されている時には、導電性膜５１から主半導体領域４に電流が流れ込む。接続用金属層５２は主半導体領域４にショットキー接触しているので、ショットキー障壁によって電流が抑制され、接続用金属層５２と主半導体領域４との間のショットキー障壁を介して電流がほとんど流れない。このため、導電性膜５１から主半導体領域４の外周側部分に流入する電流成分が第１及び第２の電極５ａ、６間の電流の大部分を占める。主半導体領域４の外周側部分を流れる電流に基づいて発生した光は光不透過性の接続用金属層５２に妨害されずに光透過性導電膜５１の上方に取り出される。
既に説明したように、ショットキー障壁は温度の上昇に従って劣化し、ショットキー障壁を通るリーク電流が大きくなる。図６の実施例４の発光ダイオードは図１の実施例１の発光ダイオードと同様にｐ型シリコン基板１を使用して構成したものであるので、実施例１と同様に順方向の駆動電圧が比較的小さく、電力損失及び発熱が従来のｎ型シリコン基板を使用していたものに比べて小さい。このため、シリコン基板１及び主半導体領域４の発熱に基づく接続用金属層５２と主半導体領域４との間のショットキー障壁の劣化が抑制され、ショットキー障壁を通る電流が少なくなる。この結果、第１及び第２の電極５ａ、６間の電流が従来のｎ型シリコン基板を使用した発光ダイオードと同一の場合には、全電流に対する主半導体領域４の外周側部分を流れる電流の割合が大きくなり、発光効率が従来のｎ型シリコン基板を使用した発光ダイオードのそれよりも大きくなる。また、図６の主半導体領域４及びシリコン基板１の発熱が従来のｎ型シリコン基板を使用した発光ダイオードの発熱と同一でよい場合には、従来よりも大きな電流を主半導体領域４の外周側部分に流すことができ、発光効率が大きくなる。
なお、図６の変形された第１の電極５ａの構成を図４及び図５に示す実施例２及び３の発光ダイオードにも適用できる。
【実施例５】  図７に示す実施例５の発光ダイオードは、図６の実施例４の発光ダイオードの第１の電極５ａと主半導体領域４との間に
化学式  ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ、
ここで、ｘ及びｙは  ０≦ｘ＜１、
０≦ｙ＜１、を満足する数値、
で示される窒化物半導体にｎ型不純物をドーピングしたｎ型窒化物半導体から成るｎ型補助窒化物半導体層５３を付加し、この他は図６と同一に構成したものである。なお、ｎ型補助窒化物半導体層５３は好ましくはｎ型ＧａＮから成る。
図７で付加されたｎ型補助窒化物半導体層５３の一方の主面はｐ型窒化物半導体層１５に接触し、他方の主面は光透過性導電膜５１に接触している。光透過性導電膜５１がＩＴＯから成る場合は、ＩＴＯがｎ型半導体と同様な特性を有するので、導電膜５１とｎ型補助窒化物半導体層５３とのオーミック接触の抵抗値が極めて低くなり、ここでの電力損失が小さくなり、順方向駆動電圧が更に低くなり、発光効率が向上する。
ｎ型補助窒化物半導体層５３とｐ型窒化物半導体層１５との間のｐｎ接合が順方向電流を妨害することを防ぐために、ｎ型補助窒化物半導体層５３の厚みを１〜３０ｎｍ、より好ましくは５〜１０ｎｍにすることが望ましい。また、ｎ型補助窒化物半導体層５３の厚みは量子力学的トンネル効果が得られる厚みであることが望ましい。
図７の第１及び第２の電極５ａ、６間に順方向電圧を印加すると、導電膜５１からｎ型補助窒化物半導体層５３を介してｐ型窒化物半導体層１５に電流が流れ込む。ｎ型補助窒化物半導体層５３を形成することによって、これと導電膜５１との間のオーミック接触の障壁の低下量がｎ型補助窒化物半導体層５３とｐ型補助窒化物半導体層１５との間の障壁の高さよりも大きい時には、これらの差だけ順方向の駆動電圧を下げることが可能になり、発光効率が向上する。
図７の第１の電極５ａの構造及びｎ型補助窒化物半導体層５３を図４及び図５の実施例２及び３にも適用できる。
【実施例６】  図８に示す実施例６のトランジスタは、図１の発光ダイオードのための主半導体領域４をトランジスタのための主半導体領域４ｂに置き換え、この他は図１と同一に構成したものである。この図８において、主半導体領域４ｂのｎ型ＧａＮから成るｎ型窒化物半導体領域１３及びこれよりも下側の構成は図１と同一である。トランジスタを構成するために主半導体領域４ｂは、コレクタ領域として機能するｎ型窒化物半導体領域１３の他に、この上にエピタキシャル成長されたｐ型窒化物半導体から成るベース領域３１とこの上にエピタキシャル成長されｎ型窒化物半導体から成るエミッタ領域３２を有する。ベース領域３１にはベース電極３３が接続され、エミッタ領域３２には第１の電極としてのエミッタ電極３４が接続されている。ｐ型シリコン基板１の下面の第２の電極６はコレクタ電極として機能する。
図８のトランジスタはｎｐｎ型トランジスタであるので、これをオン駆動する時には、コレクタ電極６を最も高い電位とし、コレクタ電極６側からエミッタ電極３４側に向って電流を流す。このトランジスタにおいても、２つの電極６，３４間のオン時の電圧降下を図１と同様に低減することができる。
【実施例７】  図９に示す実施例７の絶縁ゲート型電界効果トランジスタは、図１の発光ダイオードのための主半導体領域４を電界効果トランジスタのための主半導体領域４ｃに置き換え、この他は図１と同一に構成したものである。図９の主半導体領域４ｃには図１と同一のｎ型ＧａＮから成るｎ型窒化物半導体領域１３が設けられている。図９において、ｎ型窒化物半導体領域１３はドレイン領域として機能する。ｎ型窒化物半導体領域１３の中にはｐ型不純物を導入することによってｐ型窒化物半導体から成るボディ領域４１が設けられ、このボディ領域４１の中にｎ型不純物を導入することによってｎ型窒化物半導体から成るソース領域４２が設けられている。ソース領域４２とドレイン領域としてのｎ型窒化物半導体領域１３との間のボディ領域４１の表面上に絶縁膜４３を介してゲート電極４４が配置されている。ソース領域４２には第１の電極としてのソース電極４５が接続されている。ｐ型シリコン基板１の下面の第２の電極６はドレイン電極として機能する。
図９の電界効果トランジスタにおいても、オン駆動時におけるソース電極４５とドレイン電極６間の電圧降下が小さくなる。
本発明は上述の実施形態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）図６及び図７の発光ダイオードのバッファ領域３、図８のトランジスタのバッファ領域３、及び図９の電界効果トランジスタのバッファ領域３を、図４の多層構造バッファ領域２０を含むバッファ領域３ａに置き換えることができる。
（２）図６、図７、図８及び図９においてｎ型窒化物半導体層１３を省き、図６及び図７の発光ダイオードの第２の層２２をｎクラッド層として兼用すること、図８のバッファ領域３をコレクタ領域として兼用すること、及び図９のバッファ領域３をドレイン領域として兼用することができる。
（３）各実施例のバッファ領域３，３ａを複数のバッファ層１１及び１２、又は１１、１２及び２０で構成する代りに、例えば、ＡｌｘＩｎｙＧａ１−ｘ−ｙＮ，ここで、ｘ及びｙは０＜ｘ≦１、０≦ｙ＜１、０＜ｘ＋ｙ＜１を満足する数値、から成る１つのバッファ層で構成することができる。
（４）各実施例のバッファ領域３，３ａに更に別の半導体層を付加することができる。
（５）各実施例では、バッファ領域３，３ａの第２のバッファ層１２にＩｎが含まれているが、Ｉｎを含まない層とすることができる。
（６）各実施例では、合金層２をバッファ領域３，３ａ及び主半導体領域４，４ａ，４ｂ，４ｃのエピタキシャル成長工程の加熱を利用して形成しているが、合金層２を独立した工程で形成することもできる。
（７）本発明を、ｐｎ接合を有する整流ダイオードやショットキバリア電極を有するショットキバリアダイオードに適用することができる。また、基板１の厚さ方向に電流が流れる全ての半導体装置に本発明を適用することができる。
【産業上の利用可能性】  本発明は発光ダイオード、トランジスタ、及び電界効果トランジスタ及び整流ダイオード等の半導体素子に利用可能なものである。
【図１】
2004109782.tif 000003
【図２】
2004109782.tif 000004
【図３】
2004109782.tif 000005
【図４】
2004109782.tif 000006
【図５】
2004109782.tif 000007
【図６】
2004109782.tif 000008
【図７】
2004109782.tif 000009
【図８】
2004109782.tif 000010
【図９】
2004109782.tif 000011
【国際調査報告】
2004109782.tif 000012
2004109782.tif 000013
2004109782.tif 000014
2004109782.tif 000015