(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
珪素（Ｓｉ）単結晶からなる基板と、該基板上に形成された、基板の表面を構成する結晶面と同一の結晶面を有するリン化硼素半導体結晶からなるリン化硼素半導体層とを備えたリン化硼素半導体層を含む半導体素子に於いて、前記基板が、表面を｛１１１｝結晶面とする｛１１１｝−Ｓｉ単結晶からなり、前記リン化硼素半導体層は、前記基板の｛１１１｝結晶面に平行に配列したリン化硼素半導体結晶の｛１１１｝結晶面からなる底面を有し、且つ｛１１１｝結晶面と等価な面で囲まれた、複数の三角錘状のリン化硼素半導体結晶を集合させた多結晶層から構成され、さらに該リン化硼素半導体結晶は内部に｛１１１｝結晶面と等価な双晶面を含み、各リン化硼素半導体結晶内部の双晶面は一定の結晶方向でないことを特徴とするリン化硼素半導体層を含む半導体素子。
【請求項２】
前記リン化硼素半導体層の上に、ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が積層されて形成された異種（ヘテロ）接合を有し、接合面において、該ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層の結晶面の間隔と、前記リン化硼素半導体層の結晶面の間隔が一致することを特徴とする請求項１に記載のリン化硼素半導体層を含む半導体素子。
【請求項３】
前記リン化硼素半導体結晶の単結晶体が、単量体のリン化硼素（ｂｏｒｏｎ
ｍｏｎｏｐｈｏｓｐｈｉｄｅ）結晶からなることを特徴とする請求項１または２に記載のリン化硼素半導体層を含む半導体素子。
【請求項４】
前記リン化硼素半導体層を、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板上に９５０℃以上１１００℃以下の温度に於いて、有機金属熱分解気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、成長速度を毎分２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下として形成することを特徴とする請求項１ないし３に記載のリン化硼素半導体層を含む半導体素子の製造方法。
【請求項５】
前記リン化硼素半導体層を、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板上に１０２５℃以上１０７５℃以下の温度に於いて、有機金属熱分解気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、成長速度を毎分３０ｎｍ以上４０ｎｍ以下として形成することを特徴とする請求項４に記載のリン化硼素半導体層を含む半導体素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１ないし３に記載のリン化硼素半導体層を含む半導体素子からなる発光ダイオード。
【請求項７】
珪素（Ｓｉ）単結晶からなる基板の表面上に形成された、基板の表面を構成する結晶面と同一の結晶面を有するリン化硼素半導体結晶からなるリン化硼素半導体層に於いて、前記の基板が、表面を｛１１１｝結晶面とする｛１１１｝−Ｓｉ単結晶からなり、前記リン化硼素半導体層は、前記基板の｛１１１｝結晶面に平行に配列したリン化硼素半導体結晶の｛１１１｝結晶面からなる底面を有し、且つ｛１１１｝結晶面と等価な面で囲まれた、複数の三角錘状のリン化硼素半導体結晶を集合させた多結晶層から構成され、さらに該リン化硼素半導体結晶は内部に｛１１１｝結晶面と等価な双晶面を含み、各リン化硼素半導体結晶内部の双晶面は一定の結晶方向でないことを特徴とするリン化硼素半導体層。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、珪素（Ｓｉ）単結晶（シリコン）基板上に形成した、リン化硼素系半導体素子を得るに好適となるリン化硼素系半導体層の結晶構成と、それを具備したリン化硼素系半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来にあって、硼素（Ｂ）とリン（Ｐ）とを構成元素として含むリン化硼素系半導体の一種であるリン化硼素（ＢＰ）を利用して発光ダイオード（ＬＥＤ）或いはレーザダイオード（ＬＤ）等の半導体発光素子を形成する技術が知れている（米国特許第６、０６９、０２１号参照）。従来のリン化硼素系半導体発光素子は、例えば、珪素単結晶（シリコン）からなる基板上に形成されたリン化硼素層を緩衝層として含む積層構造体を用いて構成されている（上記の米国特許第６、０６９、０２１号参照）。最近では、ワイドバンドギャップのリン化硼素層を障壁（クラッド）層とするｐｎ接合型二重ヘテロ構造を発光部を備えた半導体発光素子用途の積層構造体も発明されている（特願２００１−１５８２８２号参照）。
【０００３】
従来より、シリコン基板上には、基板表面をなす結晶面と同一の結晶面からなるリン化硼素の単結晶層が成長することが判明している。例えば表面を｛１００｝結晶面とする｛１００｝−Ｓｉ単結晶基板上には、基板表面に平行に積重した｛１００｝結晶面からなるリン化硼素単結晶層が成長するのが知れている（庄野  克房著、「半導体技術（上）」（１９９２年６月２５日、（財）東京大学出版会発行第９刷、７７頁参照）。また、シリコン基板上には、双晶（ｔｗｉｎｎｉｎｇ）を全く含まないリン化硼素単結晶層が成長できることも知れている（上記の「半導体技術（上）」、９８頁参照）。一方では双晶を含む｛１００｝-リン化硼素単結晶層も得られるのが知れている（上記の「半導体技術（上）」、９９〜１００頁参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術が開示するところでは、リン化硼素層に含まれる双晶は、結晶格子間の不整合率を緩和する様な特徴をもっているとされる（上記の「半導体技術（上）」、１００頁参照）。従って、双晶を含むリン化硼素系半導体層を利用すれば特性、例えば、発光強度に優れるＬＥＤを得るに貢献できる。しかし、従来技術が開示する如く、双晶を含むリン化硼素系半導体層を安定して得るのは困難となっている。即ち、従来は双晶を安定して含むリン化硼素系半導体層を製造するための要件が明かとなってはいないため、例えば、発光の強度に優れる発光素子を安定して獲得するに支障を来している。
【０００５】
本発明は、双晶を安定して含ませることができる結晶構成からなるリン化硼素系半導体層を提供することを目的とする。また、本発明では、特定の結晶方向を双晶面とする双晶を安定して含む多結晶のリン化硼素系半導体層を備えることにより、特性の向上したリン化硼素系半導体素子を提供する。ここで本発明の目的とする結晶構造からなるリン化硼素系半導体層とは、従来の膜状の単結晶からなるのではなく、双晶境界面（双晶面）（Ｃ．Ｗ．バン著、「化学結晶学」（昭和４５年６月１５日、（株）培風館発行初版、７５〜７６頁参照）の結晶方向を相違する単結晶体を集合させてなる多結晶からなるリン化硼素系半導体層である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、（１）珪素（Ｓｉ）単結晶からなる基板と、該基板の表面上に形成された、基板の表面を構成する結晶面と同一の結晶面を有するリン化硼素系半導体結晶からなるリン化硼素系半導体層とを備えたリン化硼素系半導体素子に於いて、前記の基板が、表面を｛１１１｝結晶面とする｛１１１｝−Ｓｉ単結晶からなり、前記のリン化硼素系半導体層は、基板の｛１１１｝結晶面に平行に配列したリン化硼素系半導体結晶の｛１１１｝結晶面からなる底面を有し、且つ｛１１１｝結晶面と等価な面で囲まれた、複数の三角錘状のリン化硼素系半導体結晶の単結晶体を集合させた多結晶層から構成され、さらに該単結晶体が、基板の＜１１０＞結晶方向に対して６０度の角度で傾いた双晶境界面を有することを特徴とするリン化硼素系半導体素子。である。
【０００７】
また本発明は、
（２）前記リン化硼素系半導体層の上にＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が積層されて形成された異種（ヘテロ）接合を有し、該ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体層が、リン化硼素系半導体層をなす単結晶体の表面に交差する結晶面の面間隔（格子間隔）に一致する間隔で配列した結晶面から構成されることを特徴とする上記（１）に記載のリン化硼素系半導体素子。
（３）前記リン化硼素系半導体結晶の単結晶体が、単量体のリン化硼素（ｂｏｒｏｎ  ｍｏｎｏｐｈｏｓｐｈｉｄｅ）結晶からなることを特徴とする上記（１）または（２）に記載のリン化硼素系半導体素子。
【０００８】
また本発明は、
（４）前記リン化硼素系半導体層を、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板上に９５０℃以上１１００℃以下の温度に於いて、有機金属熱分解気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、成長速度を毎分２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下として形成することを特徴とする上記（１）ないし（３）に記載のリン化硼素系半導体素子の製造方法。
（５）前記リン化硼素系半導体層を、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板上に１０２５℃以上１０７５℃以下の温度に於いて、有機金属熱分解気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により、成長速度を毎分３０ｎｍ以上４０ｎｍ以下として形成することを特徴とする上記（４）に記載のリン化硼素系半導体素子の製造方法。
である。
【０００９】
また本発明は、
（６）上記（１）ないし（３）に記載のリン化硼素系半導体素子からなる発光ダイオード。
である。
【００１０】
また本発明は、（７）珪素（Ｓｉ）単結晶からなる基板の表面上に形成された、基板の表面を構成する結晶面と同一の結晶面を有するリン化硼素系半導体結晶からなるリン化硼素系半導体層に於いて、前記の基板が、表面を｛１１１｝結晶面とする｛１１１｝−Ｓｉ単結晶からなり、前記のリン化硼素系半導体層は、基板の｛１１１｝結晶面に平行に配列したリン化硼素系半導体結晶の｛１１１｝結晶面からなる底面を有し、且つ｛１１１｝結晶面と等価な面で囲まれた、複数の三角錘状のリン化硼素系半導体結晶の単結晶体を集合させた多結晶層から構成され、さらに該単結晶体が、基板の＜１１０＞結晶方向に対して６０度の角度で傾いた双晶境界面を有することを特徴とするリン化硼素系半導体層。である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明では、リン化硼素系半導体層は｛１１１｝結晶面を表面とするＳｉ単結晶基板（本明細書では、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板と記載する。）上に好適に形成できる。ダイヤモンド（ｄｉａｍｏｎｄ）結晶構造型のＳｉ単結晶の｛１１１｝結晶面には、｛１００｝或いは｛１１０｝結晶面よりも密に珪素原子が存在している。従って、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板では、その上に堆積するリン化硼素系半導体層の構成元素の基板内部への拡散、浸透を抑制できる利点があり、明瞭な接合界面を構成するに効果を奏する。導電性を有する｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板ではまた、裏面に正負、何れかの極性のオーミック（Ｏｈｍｉｃ）性電極を裏面電極して敷設でき、例えば、発光素子を簡便に構成するに効果を上げられる。特に、抵抗率を１ミリオーム（ｍΩ）以下、より望ましくは０．１ｍΩ以下とする低い比抵抗（抵抗率）の導電性単結晶基板は、順方向電圧（所謂、Ｖｆ）の低いＬＥＤをもたらすに貢献する。また、放熱性に優れるため安定した発振をもたらすＬＤを構成するに有効となる。
【００１２】
好ましくは｛１１１｝−Ｓｉ基板表面上に積層する多結晶層のリン化硼素系半導体層は、硼素（Ｂ）とリン（Ｐ）とを構成元素として含む例えば、ＢαＡｌβＧａγＩｎ1-α-β-γＰ1-δＡｓδ層（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）とする。また、例えば、ＢαＡｌβＧａγＩｎ1-α-β-γＰ1-δＮδ（０＜α≦１、０≦β＜１、０≦γ＜１、０＜α＋β＋γ≦１、０≦δ＜１）から構成する。単量体のリン化硼素（ｂｏｒｏｎ  ｍｏｎｏｐｈｏｓｐｈｉｄｅ：ＢＰ）は、構成元素が硼素（Ｂ）とリン（Ｐ）のみであり、多元混晶よりも構成元素が少なく成膜が容易であるという利点があるため特に好ましい。また、例えば、有機金属熱分解気相成長（ＭＯＣＶＤ）手段に依り、成長速度を毎分２ｎｍ以上で３０ｎｍ以下とし、リン等のＶ族元素と硼素等のＩＩＩ族元素の原料の供給比率（所謂、Ｖ／ＩＩＩ比）を１５以上で６０以下の範囲として成長したリン化硼素は、室温での禁止帯幅を約３ｅＶとするワイドバンドギャップ（ｗｉｄｅ  ｂａｎｄｇａｐ）半導体となる。この様な禁止帯幅の広いリン化硼素半導体層は例えば、発光素子にあって、発光層に対する障壁（ｃｌａｄ）層として利用できる。
【００１３】
多結晶層のリン化硼素系半導体層は、本発明では、複数のリン化硼素系半導体結晶からなる単結晶体を集合させて構成する。本発明に係わる多結晶層を構成する単結晶体の形状を図１に模式的に示す。｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板１１上の各単結晶体１３は、周囲をリン化硼素系半導体結晶の｛１１１｝結晶面と等価な面とする正三角錘体１３ｂ或いは正三角錘体の頂部を｛１１１｝結晶面とする三角錐状体１３ｃの外形をなしている。各単結晶体１３の底面１３ａは、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板の｛１１１｝結晶面に平行に配置されたリン化硼素系半導体結晶の｛１１１｝結晶面からなる。底面１３ａとは、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板１１の表面に接地している結晶面である。
【００１４】
本発明の多結晶層は、図２の平面模式図に示す如く、上記の複数の三角錐状の単結晶体１３を相互に結合させて構成されている。各単結晶体１３は接合面１６を介して互いに連結している。各単結晶体１３の内部には、双晶１５を存在させてある。各単結晶体１３の内部に含ませた双晶面１４の存在する方向が画一的に一定ではないため、その様な異なる結晶方向に双晶を含む各々の単結晶体１３から構成されているリン化硼素系半導体層を、本発明では多結晶層と称している。本発明では特に、基板をなす｛１１１｝−Ｓｉ単結晶の＜１１０＞結晶方向に対し角度にして６０度（°）の方向に双晶面を規則的に含ませた単結晶体１３を集合させて多結晶層を構成する。ここで云う双晶面とは、具体的には、リン化硼素系半導体結晶の｛１１１｝結晶面に等価な面である。即ち、｛１１１｝、｛−１．−１．−１．｝、｛１．−１．１．｝等の結晶面である。また、双晶面は、三角錘状の単結晶体１３の周囲を構成するリン化硼素系半導体結晶の何れかの｛１１１｝結晶面に平行となっているのが特徴である。リン化硼素系半導体結晶の｛１１１｝結晶面を双晶面１４とする双晶１５の発生に因り、Ｓｉ単結晶基板とリン化硼素系半導体結晶との格子ミスマッチに起因するミスミット（ｍｉｓｆｉｔ）転位の発生、伝搬を効果的に抑制できる。リン化硼素系半導体結晶では、｛１１１｝結晶面を双晶面とする双晶は、他の結晶面を双晶面とする双晶に比較して安定して且つ容易に形成することができる。従って、リン化硼素系半導体結晶の｛１１１｝結晶面を双晶面とする双晶を含む単結晶体を集合させて多結晶層を構成すれば、ミスフィット転位の伝搬を安定して抑制するに効力を発揮できる。
【００１５】
双晶の存在は例えば、電子線回折技法により撮像された電子線回折図形（パターン）上の異常回折斑点（ｓｐｏｔ）の有無より知れる（坂  公恭著、「結晶電子顕微鏡学」、１９９７年１１月２５日、（株）内田老鶴圃発行第１版、１１１〜１１３頁参照）。また、入射電子線をリン化硼素系半導体層の＜１１０＞結晶方向に平行として撮像した回折図形上の＜１１０＞結晶方向と双晶に起因する回折斑点とのなす角度を計測すれば、＜１１０＞結晶方向と双晶とがなす角度を知ることができる。因みに、双晶はまた、一種の積層欠陥（ｓｔａｃｋｉｎｇ  ｆａｕｌｔ）と見なすこともできる（上記の「結晶電子顕微鏡学」、１１２頁参照）。
【００１６】
本発明に係わる双晶を含む単結晶体を集合させた多結晶層を得るには、成膜時の条件を精密に制御する必要がある。特に、｛１１１｝結晶面を双晶面とする双晶を含むリン化硼素系半導体結晶からなる三角錘状の単結晶体は、例えば、トリエチル硼素（（Ｃ2Ｈ5）3Ｂ）／ホスフィン（ＰＨ3）／水素（Ｈ2）を原料系とする常圧の有機金属熱分解気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によって、成長温度を精密に制御して形成する。上記ＭＯＣＶＤ手段にあって、リン化硼素系半導体多結晶層、特に、単量体のリン化硼素の多結晶層を得るに好適な温度の範囲は、９５０℃以上１１００℃以下さらに好ましくは１０２５℃〜１０７５℃の範囲である。インジウム（Ｉｎ）を含むリン化硼素系半導体多結晶層の形成には、より低温の約９５０℃〜約１０００℃が好適である。アルミニウム（Ａｌ）を構成元素として含むリン化硼素系半導体多結晶層は、比較的に高温の約１０５０℃〜１１００℃が好適である。約１２００℃を越える高温では、ＢＰ6、Ｂ13Ｐ2等のリン化硼素多量体が発生し易くなり、組成的に均質なリン化硼素系半導体層を得るに不都合となる。
【００１７】
また、双晶を内在する単結晶体を効率的に形成するには、成長の速度を毎分２０ｎｍから毎分６０ｎｍの範囲とするのが望ましい。単量体のリン化硼素（ＢＰ）にあっては、毎分３０ｎｍ〜４０ｎｍの成長の速度が特に好適である。６０ｎｍを越える速度で成長させた単結晶体には、多量の双晶（積層欠陥）に加え、点欠陥や転位等の他の結晶欠陥の密度が急激に増加する不都合を生じ、結晶性に優れる多結晶層を得るに困難を来す。逆に、成長速度を小さくすると、即ち、所望の層厚のリン化硼素系半導体層を得るにより長時間を要する状況とすると、成長時に於いて構成元素のリン（Ｐ）の揮散する機会が増す。このため、２０ｎｍ／分未満の小さな成長速度は、リン（Ｐ）の蒸発、揮散に起因するリン化硼素系半導体層の構成元素間での化学的な当量比の不均衡が急激に発生する。化学量論的に不均衡な組成のリン化硼素系化合物半導体層には、点欠陥が多量に含まれているため本発明に係わる多結晶層とするには不適である。
【００１８】
単結晶体の内部に含まれる双晶は、例えば、基板のＳｉ単結晶と単結晶体を構成するリン化硼素系半導体との格子ミスマッチに起因して発生するミスフィット転位の伝搬を抑制する作用を有する。例えば、Ｓｉ基板と単結晶体との接合界面から発生したミスフィット転位は、単結晶体の内部に在る双晶により吸収され、より上方への伝搬を抑制する作用を有する。これに依り、単結晶体の上部に至るまで貫通する貫通転位の密度は減ぜられる。
【００１９】
また、そもそもミスフィット転位の少ない単結晶体を得るには、Ｓｉ単結晶基板とリン化硼素系半導体層との中間に緩衝層を設ける技術手段も有効となる。緩衝層は、非晶質または多結晶のリン化硼素系化合物半導体層から構成するのが好適である。非晶質または多結晶の緩衝層は、基板をなすＳｉ単結晶との格子不整合性を緩和して、ミスフィット転位等の結晶欠陥密度の小さいリン化硼素系半導体層をもたらすに効果を発揮する。また、特に、緩衝層をリン化硼素系半導体から構成すると、硼素とリンは成長を促進する「成長核」として作用するため、その上に連続性のあるリン化硼素系半導体層を形成するに効果を奏する。緩衝層をリン化硼素から構成する場合、層厚は約１ｎｍ以上で５０ｎｍ以下、更には２ｎｍ以上で１５ｎｍ以下とするのが好ましい。
【００２０】
双晶を含む単結晶体を集合させて構成した多結晶層の表層部は、下方のＳｉ単結晶基板側から貫通して来るミスフィト転位が少なく、結晶性に優れる領域となっている。従って、本発明の構成からなるリン化硼素系半導体多結晶層上には、結晶性に優れる堆積層を成長させることができる。特に、堆積層を、多結晶層の表面をなすリン化硼素系半導体の単結晶体の表面に交差する結晶格子の面間隔（格子間隔）と同一の間隔に配列した結晶面から構成される結晶層とすると、ミスフィット転位の少ない結晶性に優れる結晶層を得るに効果を上げられる。図３に模式的に示す如く、単結晶体の｛１１１｝結晶面からなる表面１７に交差する低次のミラー指数｛ｈｋｌ｝面には、ｈ＝ｋ＝ｌ＝１の｛１１１｝の他、｛１１０｝、｛１００｝結晶面等がある。これら｛ｈｋｌ｝結晶面の単結晶体の｛１１１｝結晶面表面に於ける間隔（＝ｄ）は、立方晶閃亜鉛鉱結晶のリン化硼素系半導体結晶にあっては、ｄ（Å）＝ａ／｛（ｈ2＋ｋ2＋ｌ2）1/2・ｓｉｎθ｝で与えられる。ａ（Å）はリン化硼素系半導体結晶の格子定数であり、θは｛１１１｝結晶表面１７とそれに交差する結晶面とがなす角度（°）である。例えば、リン化硼素（ＢＰ）多結晶層の表面上に、その表面を構成するＢＰ単結晶体１３の｛１１１｝結晶面と直角に交差する｛１１０｝結晶面と格子間隔（≒３．２１Å）に一致する、六方晶の（１．０．０．０．）結晶面を配列したウルツ鉱結晶型（Ｗｕｒｔｚｉｔｅ）の窒化ガリウム・インジウム混晶（Ｇａ0.94Ｉｎ0.06Ｎ）結晶層を堆積する例が上げられる。この様な結晶性に優れる結晶層は、例えば、発光素子にあって、高強度の発光をもたらす発光層として好適に利用できる。
【００２１】
本発明に係わるリン化硼素系半導体の多結晶層を利用すれば、リン化硼素系半導体素子として例えばＬＥＤを構成できる。ＬＥＤは例えば、ｐ形｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板と、基板上に硼素（Ｂ）とリン（Ｐ）とを含む非晶質の緩衝層を介して成長した本発明に係わるｐ形リン化硼素（ＢＰ）多結晶層と、多結晶層上のｎ形発光層と、発光層上の成長させた本発明に係わるｎ形リン化硼素（ＢＰ）多結晶層とを備えた積層構造体を基に構成できる。室温での禁止帯幅を約３ｅＶとするリン化硼素の単結晶体から構成される多結晶層は、発光層を挟持するクラッド（ｃｌａｄ）層として利用できる。発光層はＧａXＩｎ1-XＮ（０≦Ｘ≦１）或いはリン化窒化ガリウム（ＧａＮ1-YＰY：０＜Ｙ≦１）等からなる井戸（ｗｅｌｌ）層を備えた単一或いは多重の量子井戸（Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造から構成することもできる。因みに、井戸層に対するバリア（ｂａｒｒｉｅｒ）層は窒化アルミニウム・ガリウム（ＡｌXＧａ1-XＮ：０≦Ｘ≦１）やＧａＮ1-ZＰZ（０≦Ｚ＜１、Ｚ＜Ｙ）等から構成できる。上記の積層構造体の表層をなすｎ形リン化硼素多結晶層にｎ形オーミック（Ｏｈｍｉｃ）電極を設け、また、ｐ形Ｓｉ単結晶基板の裏面にｐ形オーミック電極を配置して、ｐｎ接合型ヘテロ構造のＬＥＤを構成できる。
【００２２】
また、アンドープ（ｕｎｄｏｐｅ）で高抵抗の｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板と、基板上に硼素（Ｂ）とリン（Ｐ）とを含む多結晶の緩衝層を介して成長した酸素（Ｏ）が添加された高抵抗のリン化硼素多結晶層と、多結晶層上に高純度のｎ形窒化ガリウム（ＧａＮ）層を活性層（電子走行層）として備えた積層構造体からは、ヘテロ接合型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等の電子デバイスを構成できる。ＦＥＴは、活性層上にショットキー（Ｓｃｈｏｔｔｋｙ）接合型のゲート（ｇａｔｅ）電極を、また活性層上に積層したｎ形コンタクト層の表面のゲート電極を挟んで対向する位置にソース（ｓｏｕｒｃｅ）及びドレイン（ｄｒａｉｎ）オーミック電極を、それぞれ設けて構成する。
【００２３】
【作用】
本発明のリン化硼素系半導体結晶からなる双晶を含む単結晶体は、Ｓｉ単結晶基板とリン化硼素系半導体との格子ミスマッチに起因するミスフィット転位の上方への伝搬を抑制する作用を有する。
【００２４】
【実施例】
以下に、｛１１１｝−Ｓｉ単結晶基板上に多結晶層からなるリン化硼素（ＢＰ）層を備えた積層構造体からＬＥＤを作製した例を用いて、本発明を具体的に説明する。
【００２５】
本実施例に係わるＬＥＤ１Ｂの平面模式図を図４に示す。また、図４に示す破線Ｘ−Ｘ’に沿ったＬＥＤ１Ｂの断面模式図を図５に示す。
【００２６】
ＬＥＤ１Ｂ用途の積層構造体１Ａは、硼素（Ｂ）ドープでｐ形の（１１１）面から２°オフ（ｏｆｆ）した面を有するＳｉ単結晶を基板１０１として構成した。基板１０１上には、トリエチル硼素（（Ｃ2Ｈ5）3Ｂ）／ホスフィン（ＰＨ3）／水素（Ｈ2）系常圧ＭＯＣＶＤ法により、３５０℃で、ａｓ−ｇｒｏｗｎ状態で非晶質を主体とするリン化硼素からなる緩衝層１０２を堆積した。緩衝層１０２の層厚は約１０ｎｍとした。
【００２７】
緩衝層１０２の表面には、上記のＭＯＣＶＤ気相成長手段を利用して、１０５０℃で多結晶層からなるｐ形のリン化硼素（ＢＰ）層１０３を積層した。成長速度は毎分４０ｎｍに設定した。ｐ形リン化硼素層１０３のキャリア濃度は１×１０19ｃｍ-3とし、また、層厚は約４００ｎｍとした。ｐ形リン化硼素層１０３の室温での禁止帯幅は大凡、３．０ｅＶであった。
【００２８】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を利用した断面ＴＥＭ像と電子線回折図形から、ｐ形リン化硼素層１０３の内部の結晶構造を解析した。図６にＳｉ単結晶基板１０１の＜１１０＞結晶方向に平行に電子線を入射させて得たｐ形リン化硼素層１０３の回折パターンの模写図を示す。図６に示す様に、多結晶層からなるｐ形リン化硼素層１０３をなす各単結晶体１０３ａの｛１１１｝結晶面に由来する回折斑点１９は、＜１１１＞結晶方向に平行に、Ｓｉ単結晶基板１０１の（１１１）結晶面に由来する回折斑点２０に隣接して位置していた。これより、単結晶体１０３ａは、Ｓｉ単結晶基板表面の＜１１１＞結晶方向に平行に、リン化硼素の｛１１１｝結晶面が積重した結晶体であるのが示された。また、図６の回折図形に示す如く、基板１０１のＳｉ単結晶の＜１１１＞結晶方向に整列した単結晶体１０３ａの回折斑点を点対称の中心として、近隣に｛１１１｝結晶面を双晶面とする双晶からの回折斑点２１も確認された。これより、単結晶体１０３ａは｛１１１｝結晶面を双晶面とする双晶を含んでいると確認された。双晶に起因する回折斑点２１の位置から、双晶面はＢＰ結晶の＜１１０＞結晶方向に対し角度にして６０度の方向に存在しているのが示された。
【００２９】
ｐ形リン化硼素層１０３の表面には、トリメチルガリウム（（ＣＨ3）3Ｇａ）／トリメチルインジウム（（ＣＨ3）3Ｉｎ／アンモニア（ＮＨ3）／Ｈ2系常圧ＭＯＣＶＤ法により、８５０℃で六方晶のｎ形の窒化ガリウム・インジウム（Ｇａ0.90Ｉｎ0.10Ｎ）からなる発光層１０４を積層した。発光層１０４の層厚は約１０ｎｍとした。
【００３０】
発光層１０４の表面上には、多結晶層からなるアンドープでｎ形のリン化硼素層１０５を積層させた。ｎ形リン化硼素層１０５は、上記のＭＯＣＶＤ気相成長手段を利用して、１０５０℃で積層した。成長速度は毎分３０ｎｍに設定した。ｎ形リン化硼素層１０５は、上記のｐ形リン化硼素層１０３と同様に、ＢＰの（１１１）結晶面からなる正四面体状の単結晶体１０５ａの集合体から構成されるものとなった。ｎ形リン化硼素層のキャリア濃度は８×１０18ｃｍ-3とし、また、層厚は約３００ｎｍとした。ｎ形リン化硼素層１０５の室温での禁止帯幅は大凡、３．０ｅＶであった。
【００３１】
電子線回折図形より、ｎ形リン化硼素層１０５をなす各単結晶体１０５ａの｛１１１｝結晶面は、（１１１）−Ｓｉ単結晶基板１０１の＜１１１＞結晶方向に平行に配列していた。また、単結晶体１０５ａの内部には、ＢＰ結晶の｛１１１｝結晶面を双晶面とする双晶の存在が確認された。双晶面はＢＰ結晶の＜１１０＞結晶方向に対し角度にして６０度の方向に存在した。
【００３２】
室温禁止帯幅をおよそ３．０ｅＶとするｐ形リン化硼素層１０３及びｎ形リン化硼素層１０５と、それに同一の格子面間隔を有する材料からなる発光層１０４とからｐｎ接合型ダブルヘテロ（ＤＨ）構造の発光部１０６を構成した。
【００３３】
ｎ形リン化硼素層１０５の表面の中央部には、台座電極を兼ねる円形のｎ形オーミック電極１０７を配置した。ｎ形オーミック電極１０７は、金（Ａｕ）・ゲルマニウム（Ｇｅ）合金／ニッケル（Ｎｉ）／金の真空蒸着膜を重層させた多層構造から構成した。ｎ形オーミック電極１０７の直径は約１２０μｍとした。また、ｐ形のＳｉ単結晶基板１０１の裏面の略全面には、ｐ形オーミック電極１０８を配置してＬＥＤ１Ｂを構成した。ｐ形のオーミック電極１０８は、アルミニウム（Ａｌ）真空蒸着膜から構成した。Ｓｉ単結晶基板１０１を［２１１］方向に平行及び垂直な方向に裁断して、一辺を約３００μｍとする正方形のＬＥＤ１Ｂとした。
【００３４】
ｎ形オーミック電極１０７に金（Ａｕ）線を結線した後、ｎ形オーミック電極１０７及びｐ形オーミック電極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発光特性を調査した。発光中心波長は約４２０ｎｍとなった。発光スペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ）は３２ｎｍとなった。本発明では、ミスフィット転位の密度の低いｐ形リン化硼素層１０３を下地層として発光層１０４を形成する構成としたため、発光領域には非発光の暗線（ｄａｒｋ  ｌｉｎｅ）（米津、宏雄著、「光通信素子工学−発光・受光素子」（平成７年５月２０日、工学図書（株）発行５版、１５５〜１５６頁参照）は視認されず、発光領域の全面から略均等の強度の発光がもたらされた。このため、一般的な積分球を利用して測定されるチップ（ｃｈｉｐ）状態での輝度は８ミリカンデラ（ｍｃｄ）となり、高発光強度のＬＥＤが提供されることとなった。また、ＬＥＤ１Ｂの電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性には、転位の影響に因る局所的な耐圧不良（ｌｏｃａｌ  ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）の発生は認められず、本発明の構成からは、良好なｐｎ接合特性（整流性）を呈するｐｎ接合型の発光部１０６がもたらされることが示された。Ｉ−Ｖ特性から求めた順方向電圧（所謂、Ｖｆ）は３．６Ｖ（順方向電流＝２０ｍＡ）で、また、逆方向電圧は６Ｖ（逆方向電流＝１０μＡ）であり、高耐圧であるＬＥＤが提供された。
【００３５】
【発明の効果】
本発明では、表面を｛１１１｝−結晶面とするＳｉ単結晶基板上に設けるリン化硼素系半導体層を、ミスフィット転位を吸収して、転位の伝搬を抑制できる双晶を含む単結晶体を集合させた多結晶層から構成することとしたので、転位密度の少ない結晶性に優れるリン化硼素系半導体層を構成することができ、これを利用すれば特性に優れるリン化硼素系半導体素子、例えば、発光強度、整流性及び耐圧性に優れるリン化硼素系半導体発光素子を提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多結晶層を構成する単結晶体の形状を示す模式図である。
【図２】  本発明に係る多結晶層の構成を示す平面模式図である。
【図３】本発明に係るリン化硼素系半導体層の｛１１１｝結晶面に交差する結晶面を表す模式図である。
【図４】本発明の実施例に係るＬＥＤの平面模式図である。
【図５】図３の破線Ｘ−Ｘ’に沿ったＬＥＤの断面模式図である。
【図６】本発明の実施例に係るリン化硼素層の電子線回折パターンの模写図である。
【符号の説明】
１Ａ  積層構造体
１Ｂ  ＬＥＤ
１１  Ｓｉ単結晶基板
１２  リン化硼素系半導体多結晶層
１３  単結晶体
１３ａ  単結晶体の底面
１４  双晶面
１５  双晶
１６  単結晶体の接合面
１７  単結晶体の｛１１１｝結晶面
１８  ｛ｈｋｌ｝面
１９  リン化硼素単結晶体の回折スポット
２０  Ｓｉ単結晶基板の回折スポット
２１  双晶の回折スポット
１０１  Ｓｉ単結晶基板
１０２  緩衝層
１０３  ｐ形リン化硼素層
１０３ａ  単結晶体
１０４  発光層
１０５  ｎ形リン化硼素層
１０５ａ  単結晶体
１０６  発光部
１０７  ｎ形オーミック電極
１０８  ｐ形オーミック電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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