(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンから成り、且つ 低抵抗率を有している半導体基板と、
前記基板の一方の主面上に形成された分布ブラッグ反射層から成り、且つ導電性を有している反射領域と、
発光機能を有するものであって前記反射領域の上に形成され、且つ主成分としてガリウムと窒素とを含む化合物半導体層を複数有している半導体領域と、
前記半導体領域の表面上に形成された第１の電極と、
前記基板の他方の主面形成された第２の電極と、
を備え、
前記反射領域は、相対的に低い屈折率を有する低屈折率領域と、前記低屈折率領域の屈折率よりも大きい屈折率を有し且つインジウムを含む窒化物半導体から成る高屈折率領域とを複数回繰り返して積層したものから成り、
前記低屈折率領域は、導電形決定不純物を含むＡｌZＧａ1-ZＮ（但し、Ｚは０≦Ｚ≦０.５を満足する数値）から成り且つ量子学的なトンネル効果が生じない厚みを有している第１の層と、ＡｌWＧａ1-WＮ（但し、ＷはＷ＞Ｚを満足する数値）から成り且つ量子学的なトンネル効果が生じる厚みを有している第２の層とを複数回繰り返して積層したものから成ることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記高屈折率領域は、導電形決定不純物を含むＧａXＩｎ1-xＮ（ここで、ｘは１よりも小さい数値）から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項３】
前記半導体領域は、
前記反射領域の上に形成された第１の導電形の第１の半導体領域と、
前記第１の半導体領域の上に形成された発光層と、
前記発光層の上に形成され且つ前記第１の導電形と反対の第２の導電形を有している第２の半導体領域と
を備えてい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。
【請求項４】
前記第２の半導体領域は、Ｐ形不純物を含むＧａＮから成り、
更に、前記第２の半導体領域の主面の一部の上にｎ形ＧａＮから成る電流制限領域を有することを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
【請求項５】
前記高屈折率領域は、ＧａXＩｎ1-xＮ（ここで、ｘは１よりも小さい数値）から成る第１の層と、ＧａyＩｎ1-yＮ（ここで、ｙはｘよりも小さい数値）から成る第２の層とから成ることを特徴とする請求項１又は３又は４記載の半導体発光素子。
【請求項６】
前記低屈折率領域は、更に、インジウムを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに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】
本発明は窒化ガリウム系化合物半導体を用いた半導体発光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＧａＮ、ＧａＡｌＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＧａＡｌＮ等の窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層を備えた青色系発光素子（青色発光ダイオード）は公知である。この種の発光素子は、サファイアから成る絶縁性基板即ちサブストレートの上に窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、一対の電極を素子の上面に配置した構造、又はシリコンカーバイドから成る低抵抗性基板の上に窒化ガリウム系化合物半導体層を形成し、一対の電極を素子の上面と下面に配置した構造となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述の発光素子は周知のように多数の素子の作り込まれたウエハをダイシング、スクライビング、へき開等によって切り出して製作される。この時、サファイア等から成る基板は硬度が高いため、このダイシングを良好に且つ生産性よく行うことが困難であった。また、サファイア等はそれ自身高価であり、材料コストの面でも不利である。
【０００４】
そこで、本願出願人は、サファイアやシリコンカーバイドから成る基板の代わりに、シリコンから成る低抵抗基板を使用した半導体発光素子を試作した。硬度がサファイアのように高くないシリコン等によって基板を構成すれば、ダイシング工程などを良好に且つ生産性よく行うことが可能であり、また一対の電極を半導体基板の上面と下面に対向して配置すれば、電流通路を半導体基体の厚み方向に形成することができ、電流通路の抵抗値を下げて消費電力及び動作電圧の低減化も期待された。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シリコン等から成る基板は、窒化ガリウム系化合物半導体から成る発光層から放出された波長３６５〜６２０ｎｍの光に対して吸収層として機能する。このため、サファイア又はシリコンカーバイドから成る基板を用いた発光素子に比べて発光層からの光を効率よく外部に放出し難いことが分かった。即ち、サファイア又はシリコンカーバイドから成る基板を用いた発光素子によれば、基板が発光層から放出される光を吸収しないため、基板内を透過した光を基板下面で反射させることによって光を比較的良好に素子外部に取り出すことができる。一方、シリコン等から成る基板は発光層から放出された光を吸収してしまうため、発光層から下側に導出された光についての損失が大きく、発光効率（外部量子効率）を高めることが困難であった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、シリコン等から成る低抵抗性半導体基板を用いた半導体発光素子において、外部量子効率即ち発光効率を高めた発光素子を提供することにある。
【０００７】
【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、
シリコンから成り、且つ 低抵抗率を有している半導体基板と、
前記基板の一方の主面上に形成された分布ブラッグ反射層から成り、且つ導電性を有している反射領域と、
発光機能を有するものであって前記反射領域の上に形成され、且つ主成分としてガリウムと窒素とを含む化合物半導体層を複数有している半導体領域と、
前記半導体領域の表面上に形成された第１の電極と、
前記基板の他方の主面形成された第２の電極と、
を備え、
前記反射領域は、相対的に低い屈折率を有する低屈折率領域と、前記低屈折率領域の屈折率よりも大きい屈折率を有し且つインジウムＩｎを含む窒化物半導体から成る高屈折率領域とを複数回繰り返して積層したものから成り、
前記低屈折率領域は、導電形決定不純物を含むＡｌZＧａ1-ZＮ（但し、Ｚは０≦Ｚ≦０.５を満足する数値）から成り且つ量子学的なトンネル効果が生じない厚みを有している第１の層と、ＡｌWＧａ1-WＮ（但し、ＷはＷ＞Ｚを満足する数値）から成り且つ量子学的なトンネル効果が生じる厚みを有している第２の層とを複数回繰り返して積層したものから成ることを特徴とする半導体発光素子に係わるものである。
なお、本願発明において、主成分としてガリウムと窒素とを含む化合物半導体とは、窒化ガリウム系化合物半導体層を意味する。
【０００８】
なお、請求項２に示すように、前記高屈折率領域は、導電形決定不純物を含むＧａXＩｎ1-XＮ（ここで、Ｘは１よりも小さい数値）から成ることが望ましい。
また、請求項３に示すように、前記半導体領域は、前記反射領域の上に形成された第１の導電形の第１の半導体領域と、前記第１の半導体領域の上に形成された発光層と、前記発光層の上に形成され且つ前記第１の導電形と反対の第２の導電形を有している第２の半導体領域とを備えていることが望ましい。
また、請求項４に示すように、前記第２の半導体領域は、Ｐ形不純物を含むＧａＮから成り、更に、前記第２の半導体領域の主面の一部の上にｎ形ＧａＮから成る電流制限領域を有することが望ましい。
また、請求項５に示すように、前記高屈折率領域を、ＧａXＩｎ1-xＮ（ここで、ｘは１よりも小さい数値）から成る第１の層と、ＧａyＩｎ1-yＮ（ここで、ｙはｘよりも小さい数値）から成る第２の層とで構成することができる。
また、請求項６に示すように、前記低屈折率領域は、更に、インジウムを含むことができる。
【０００９】
【発明の効果】
本願各請求項の発明は次の効果を有する。
（イ）  反射領域はバッファ層として良好に機能する。このため、発光特性が良好に得られる。即ち、基板の一方の主面に形成された反射領域の低屈折率領域は、導電形決定不純物を含むＡｌZＧａ1-ZＮ（但し、Ｚは０≦Ｚ≦０.５を満足する数値）から成り且つ量子学的なトンネル効果が生じない厚みを有している第１の層とＡｌWＧａ1-WＮ（但し、ＷはＷ＞Ｚを満足する数値）から成り且つ量子学的なトンネル効果が生じる厚みを有している第２の層とを複数回繰り返して積層したものから成る。このような積層構造の低屈折率領域は、反射機能に関与するのみでなくシリコンから成る半導体基板の結晶方位を良好に引き継ぐためにも寄与し、この反射領域を核としてその一方の主面に結晶性の良い半導体領域を形成することができる。これにより良好な発光特性が得られる。
（ロ）  基板即ちサブストレートに半導体を使用してコストの低減を図っているにも拘らず、反射領域を形成したので、発光機能を有する半導体領域から基板側に放出された光を基板の上側に反射されることができる。この結果、発光素子の発光効率を増大することができる。
（ハ）  消費電力及び動作抵抗を低減することができる。即ち、基板が低抵抗性半導体基板であるので、電流通路を半導体基板の厚み方向に形成することができ、サファイア等から成る絶縁性基板を使用した従来の発光ダイオードに比べて電流通路の抵抗値を下げて消費電力及び動作電圧の低減化を図ることができる。
（ニ）  基板が比較的安価な半導体であるので、発光素子のコストの低減を図ることができる。
（ホ）低屈折率領域の第２の層は、量子力学的なトンネル効果が生じる厚みに形成されているので、低屈折率領域の実効抵抗率が低くなり、発光素子の消費電力及び動作電圧の低減化を図ることができる。
（ヘ）高屈折率領域がインジウムＩｎを含む窒化物半導体であるので、反射領域がバッファ層として良好に機能し、発光特性が良好に得られる。即ち、発光特性が良好に得られる第１の理由は、低抵抗性の基板の一方の主面に形成されたＩｎを含む反射領域が低抵抗性の基板の結晶方位を良好に引き継ぐことができ、この反射領域の主面に発光機能を有する半導体領域を良好に形成することができることにある。発光特性が良好に得られる第２の理由は、低抵抗性の基板と発光機能を有する半導体領域との間にＩｎを含む窒化物系化合物半導体を介在させることによって、反射領域の応力に基づく歪みが発生することを良好に防止できること、及び反射領域の上面に形成される半導体領域にクラックが生じることを防止できることにある。これにより、好ましい高屈折率領域を得ることができる。
また、請求項２の発明によれば、より好ましい高屈折率領域を得ることができる。
また、請求項４の発明によれば、電流通路を限定することができ、且つｐ形半導体領域への水素溶解を防止することができる。
【００１０】
【実施形態】
次に、図１〜図６を参照して本発明の実施形態に係わる半導体発光素子としての窒化ガリウム系化合物青色発光ダイオードを説明する。
【００１１】
【第１の実施形態】
図１及び図２に示す本発明の第１の実施例に従う青色発光ダイオードは、不純物を含むシリコンから成る低抵抗性半導体の基板即ちサブストレート（以下、低抵抗性基板という）１１、反射領域としての分布ブラッグ反射膜即ちＤＢＲ（Distributed Bragg Reflectors）層１２、発光機能を得るための半導体領域１３とを有している。発光機能を有する半導体領域１３は、主成分としてガリウムと窒素とを含む化合物半導体層即ち窒化ガリウム系化合物半導体層を複数有する。即ち、この発光用半導体領域１３は、ｎ形ＧａＮ（窒化ガリウム）から成る第１の半導体領域としてのｎ形半導体領域１４、ｐ形のＩｎＧａＮ（窒化ガリウムインジウム）から成る発光層１５、及び第２の半導体領域としてのｐ形ＧａＮ（窒化ガリウム）から成るｐ形半導体領域１６、ｎ形ＧａＮから成る電流制限領域１７を順次に積層したものである。なお、ｎ形半導体領域１４はｎ形クラッド層、ｐ形半導体領域１６はｐ形クラッド層、発光層１５は活性層の機能を有する。ｐ形半導体領域１６及び電流制限領域１７の上に第１の電極として透明電極１８が形成され、この透明電極１８の上にパッド電極１９が形成されている。なお、ｐ形半導体領域１６の上面は平面形状四角形であって、電流制限領域１７はｐ形半導体領域１６の中央に配置されている。パッド電極１９は透明電極１８を介して電流制限領域１７に対向するように配置されている。低抵抗性基板１１の下面には、第２の電極としてカソード電極２０が接続されている。なお、ＤＢＲ層１２、ｎ形半導体領域１４、発光層１５、及びｐ形半導体領域１６は低抵抗性基板１１の上に順次にそれぞれの結晶方位を揃えて成長させたものである。また、ｐ形半導体領域１６の上面及び基板１１の下面は平坦面であり、互いに平行に配置されている。
【００１２】
低抵抗性基板１１は、ｎ形導電形不純物として例えばＡｓ（砒素）が５×１０18ｃｍ-3〜５×１０19ｃｍ-3程度の高濃度で導入され且つ（１１１）結晶面を有するｎ+形のシリコン単結晶基板から成り、その抵抗率は０．０００１Ω・ｃｍ〜０．０１Ω・ｃｍ程度であって、実質的に導電体と呼ぶことができるものである。従って、この低抵抗性基板１１はカソード電極２０と共に発光ダイオードのカソード電極として機能する。なお、本実施形態では、反射領域１２及び主半導体領域１３の機械的支持体として機能するように低抵抗性基板１１の厚みが約３５０μｍに設定されている。
【００１３】
低抵抗性基板１１の平面形状四角形の一方の主面全体を被覆するように形成された導電性を有する反射領域としてのＤＢＲ層１２は、図２に示すように層又は膜から成る低屈折率領域１２ａと層又は膜から成る高屈折率領域１２ｂとが交互に積層されたものである。図２では図示の都合上低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂとの一部のみ示されているが、実際のＤＢＲ層１２は２１箇の低屈折率領域１２ａと２０箇の高屈折率領域１２ｂとを有し、これ等が交互に積層され、合計で４１層に形成されている。なお、低屈折率層１２ａを高屈折率層１２ｂよりも１層多い２１層とし、ＤＢＲ層１２の最下層と最上層との両方に低屈折率領域１２ａが配置されている。
低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂの厚みは、発光層１５から放出される光の波長等によって決定される。本実施形態では波長４５０ｎｍ付近に発光波長ピークを有するＧａＮ系化合物半導体発光素子が形成されているため、ＤＢＲ層１２は４５０ｎｍの波長の光に対して最大反射率（反射ピーク）を有するように形成されている。ここで、低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂの厚みは、（λ／４）×（１／ｎ）（ただし、λは発光波長、ｎは屈折率）により求めることができる。
本実施形態の低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂの実効屈折率がそれぞれ２.２５であり、発光波長が４５０ｎｍである。従って、低屈折率層１２ａの厚みは５０ｎｍ、高屈折率層１２ｂの厚みは５０ｎｍとされる。
【００１４】
図２の低屈折率領域１２ａのそれぞれは、図３に示すように複数（３個）の第１の層２１と複数（２個）の第２の層２２とを交互に積層したものから成る。第１の層２１はＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ≦０．５）においてｚ＝０にしたもものに相当するＧａＮから成るｎ形半導体領域の極薄の膜である。第２の層２２は、ＡｌwＧａ1-wＮ（但し、ｗはｚ＜ｗ≦１を満足する数値、ｚは０≦ｚ≦０．５を満足する数値）においてｗ＝１にしたものに相当するＡｌＮから成る絶縁性の極薄の膜である。なお、図３では低屈折率領域１２ａの最下層と最上層とが第１の層２１とされ、第１の層２１の数が第２の層２２の数よりも１層多くなっている。第２の層２２の厚みは、量子力学的なトンネル効果を得ることができるように１００オングストローム以下とすることが望ましく、本実施例では４ｎｍとされている。第２の層２２は、低屈折率領域１２ａの屈折率を低くするために相対的にＡｌの混合比を高くしているため、絶縁性の膜となっている。しかし、第２の膜２２は量子力学的なトンネル効果が生じ、且つ第１の層２１が低抵抗性膜であるので、低屈折率領域１２ａ全体の実効的な抵抗値は十分に小さくなっている。本実施例では、第１の層２１の厚みは、量子力学的なトンネル効果の生じない１４ｎｍとされている。第１の層２１は、基体１１と同一の導電形にすることが望ましく、ｎ形不純物としてＳｉがドーピングされている。もし、基体１１がｐ形の場合には第１の層２１にｐ形不純物としてたとえばＭｇをドーピングする。
【００１５】
高屈折率領域１２ｂは、図２に示すようにＡｌXＧａYＩｎ1-X-YＮ（０≦Ｙ≦１、０≦Ｘ＋Ｙ≦１、０≦Ｘ≦０，５）において、Ｘ＝０、Ｙ＝０.９に相当するＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎから成るｎ形半導体領域である。１つの高屈折率領域層１２ｂの厚みは５０ｎｍである。
【００１６】
低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂは周知のＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長方法）によってそれぞれｎ形ＧａＮ層及びＡｌＮ層と、Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層を順次連続して積層形成したものである。
【００１７】
次に、発光ダイオ−ドの製造方法を詳しく説明する。まず、シリコン単結晶の低抵抗性基板１１をＭＯＣＶＤ装置の反応室内に配置し、１１７５℃で７.５分間、真空中で加熱処理して表面の酸化膜を除去し、１０５０℃まで降温し、反応室内に２０ｃｃ（６３μmol ／min）のＴＭＧ（トリメチルガリウム）ガスと２００ｃｃ（２１ｎmol ／min）のシラン（ＳｉＨ4 ）を流して約９８秒間かけて厚さ約１４ｎｍのＧａＮ層即ち第１の層２１を成長させる。ここで、シランガスは形成膜中にｎ形不純物としてのＳｉを導入するためのものである。
次に、反応室内に６６ｃｃ（６３μmol ／min）のＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）ガスと３リットル（０．１４mol ／min）のＮＨ3 （アンモニア）ガスを流して約２６秒間かけて厚さ約４ｎｍのＡｌＮ層即ち第２の層２２を形成する。次に、ＴＭＡガスの供給をストップして、再びｎ形ＧａＮ層即ち第１の層２１を形成する。第１の層２１と第２の層２２との形成を繰返すことによって図３に示すように低屈折率領域１２ａを得る。
【００１８】
続いて、低屈折率領域１２ａを有する基板１１の温度を８２０℃まで下げた後、反応室内に１５０ｃｃ（５９μmol ／min）のＴＭＩｎ（トリメチルインジウム）ガスと５リットル（０．２３mol ／min）のＮＨ3（アンモニア）ガスと２００ｃｃ（２１ｎmol ／min）のシラン（ＳｉＨ4 ）を流し、約３０５秒間かけて厚さ約５０ｎｍのｎ形Ｇａ0.9Ｉｎ0.1Ｎ層から成る高屈折率領域１２ｂを成長させる。次に、ＴＭＩｎガスの供給をストップして、反応室の温度を１０５０℃として低屈折率領域１２ａを形成する。
【００１９】
低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂとを交互に２０回繰り返して形成し、最後に低屈折率領域１２ａを形成して合計４１層のＤＢＲ層１２を得る。
【００２０】
ＤＢＲ層１２の上にｎ形半導体領域１４、発光層１５、ｐ形半導体領域１６を周知のＭＯＣＶＤ法によって順次連続して形成する。即ち、ＤＢＲ層１２の形成後にまずＭＯＣＶＤ装置の反応室に配置された低抵抗性基板１１の温度を１０５０℃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３リットル（約０．１４ｍmol ／min）、シランガスの流量即ちＳｉの供給量を約１．５ｎmol ／minとして、ｎ形ＧａＮを０．５μｍ厚に成長させてｎ形半導体領域１４を得る。
【００２１】
続いて、低抵抗性基板１１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（ＴＭＩｎガス）とビスシクロペンタジェニルマグネシウムガス（以下、Ｃｐ2 Ｍｇガスという）を供給してｎ形半導体領域１４の上面にｐ形ＩｎＧａＮから成る発光層１５を形成する。ここで、Ｃｐ2 Ｍｇガスは形成膜中にｐ形導電形の不純物としてのＭｇを導入するためのものである。本実施形態では、ＴＭＧガスの流量を約１．１μmol ／min、ＮＨ3 ガスの流量を約６７ｍmol ／min、ＴＭＩｎガスの流量即ちＩｎの供給量を約４５μmol ／min、Ｇｐ2 Ｍｇガスの流量即ちＭｇの供給量を約１２ｎmol ／minとした。また、発光層１５の厚みは約３．５ｎｍである。
【００２２】
続いて、低抵抗性基板１１の加熱温度を１０５０℃とし、反応室内にＴＭＧガス、アンモニアガス及びＣＰ2 Ｍｇガスを供給して発光層１５の上面にｐ形ＧａＮから成るｐ形半導体領域１６を形成する。本実施形態では、この時のＴＭＧガスの流量を約４．３μmol ／min、アンモニアガスの流量を約５３．６μmol ／min、Ｃｐ2 Ｍｇガスの流量を約０．１２μmol ／minとした。なお、ｐ形半導体領域１６の厚みは約３００ｎｍである。
【００２３】
続いて、原子状水素がｐ形ＧａＮ中に存在できない溶解安定化温度以上である１０５０℃の状態で、ＴＭＧを２０ｃｃ（６３μｍｏｌ／min）とシラン（ＳｉＨ4）を２００ｃｃ（２１ｎｍｏｌ／min）を流してｐ形ＧａＮから成るｐ形半導体領域１６上にｎ形ＧａＮを２５ｎｍ成長させる。このｎ形ＧａＮは図１に示すｎ形ＧａＮ層１７を得るためのものであって、p形ＧａＮから成るｐ形半導体領域１６への水素の溶解を防止する。
【００２４】
次に、このウエハを反応炉から取り出した後、フォトリソグラィ−と酸化を利用したガスエッチングを使用して、最上層のｎ形ＧａＮ層の一部を除去して、後に形成するパッド電極１９と概ね同じ平面形状を有するｎ形ＧａＮ層１７を図１に示すようにｐ形半導体領域１６の中央部に残存させる。ウエハを反応炉から取り出した時にウエハは原子状水素の溶解安定化温度以下に曝されるが、最上層のｎ形ＧａＮ層１７の存在によって原子状水素がｐ形半導体領域１６のｐ形ＧａＮに溶け込むことが防止できる。この結果、原子状水素がｐ形ＧａＮ系化合物中に安定して存在することが防止され、ｐ形不純物元素(アクセプタ元素)の活性化率が向上し、抵抗（比抵抗）の低いｐ形ＧａＮ系化合物半導体から成るｐ形半導体領域１６が得られる。
【００２５】
次に、残存するｎ形ＧａＮ層１７とその周囲に露出するｐ形半導体領域１６の上面に透明電極１８を形成し、更にｎ形ＧａＮ層１７の上面に透明電極１８を介してパッド電極１９を形成する。パッド電極１９の下側に配置されたｎ形ＧａＮ層１７はパッド電極の下部に電流が流れることを防止する電流ブロック層即ち電流制限層として機能する。なお、透明電極１８は、例えばニッケルと金とで形成し、パッド電極１９は金で形成する。
第２の電極としてのカソード電極２０は、例えばチタンとニッケルを周知の真空蒸着法等によって低抵抗性基板１１の下面に形成し、低抵抗性基板１１の下面全体に低抵抗接触させたものである。
【００２６】
図１の青色発光ダイオードを外部装置に取付ける時には、例えばカソード電極２０を回路基板等の外部電極に対して半田又は導電性接着剤で固着し、パッド電極１９を周知のワイヤボンディング方法等によって外部電極に対してワイヤで電気的に接続する。
【００２７】
本実施例の青色発光ダイオードによれば、次の効果が得られる。
（１）  サファイアやシリコンカーバイドに比べて著しく低コストであり加工性も良いシリコンから成る半導体基板１１を使用することができるので、材料コスト及び生産コストの削減が可能である。このため、従来では他の発光素子に比べて高価であったＧａＮ系発光ダイオードのコスト削減が可能となる。
（２）  シリコン半導体から成る基板１１が使用されているので、この基板１１内にトランジスタ、ダイオ−ド等の他の電子素子を形成することができ、ＧａＮ系半導体発光素子がその他の半導体素子と同一の半導体基板内に集積された半導体集積回路を容易に実現できる。
（３）  光吸収性を有するシリコンから成る低抵抗性基板１１の上に、異なる実効屈折率を有する低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂとを一組とする分布ブラッグ反射膜（超格子ＤＢＲ膜）の複数から成るＤＢＲ層１２が形成されている。従って、発光層１５から基板１６の側に放出された光は、ＤＢＲ層１２によって基板１１の上面方向に反射される。この結果、発光素子の外部量子効率即ち発光効率を増大することができる。
（４）  ＤＢＲ層１２が発光部のバッファ層として良好に機能するため、発光特性が良好に得られる。即ち、発光特性が良好に得られる第１の理由は、低抵抗性基板１１の一方の主面に形成されたＧａＮから成る第１の層２１及びＡｌＮ層から成る第２の層２２から成る低屈折率領域１２ａとＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎから成る高屈折率層１２ｂとの組み合せで構成されたＤＢＲ層１２が、シリコン半導体から成る低抵抗性基板１１の結晶方位を良好に引き継ぐことができ、このＤＢＲ層１２を核としてその一方の主面にｎ形半導体領域１４、発光層１５及びｐ形半導体領域１６を順次、結晶性を良好にして積層形成することができることにある。
発光特性が良好に得られる第２の理由は、低抵抗性基板１１とＧａＮ系半導体領域１３との間にＧａ0.9Ｉ0.1Ｎ成る高屈折率領域１２ｂを介在させることによって、ＤＢＲ層１２の応力に基づく歪みが発生することを良好に防止できること、及びＤＢＲ層１２の上面に形成されるＧａＮ系半導体領域１３にクラックが生じることを防止できることにある。即ち、低抵抗性基板１１とＧａＮ系半導体領域１３との間に、もし、ＡｌxＧａ1-xＮ（但し、ｘは０＜ｘ≦１を満足する数値）層及びＧａＮ層が複数積層されて成るバッファ層を介在させた場合には、このバッファ層の歪みを緩和するためにその上に形成されるＧａＮ系半導体領域にクラックが生じ易い。これに対し、本発明に従って低抵抗性基板１１とＧａＮ系半導体領域１３との間にＧａ0.9Ｉｎ0.1Ｎから成る高屈折率１２ｂを介在させた場合には、ＧａＮ系半導体領域１３にクラックをほとんど生じさせることがなく、ＤＢＲ層１２の応力緩和、歪み緩和が可能である。この理由は必ずしも明らかではないが、Ｇｎ0.9Ｉｎ0.1Ｎのある結晶面がスリップ等することによりＤＢＲ層１２内に発生した歪みを開放、緩和できるためと考えられる。
（５）  消費電力及び動作抵抗が小さい青色発光ダイオードを実現することができる。即ち、基板１１がシリコン等から成る低抵抗性半導体であるので、電流通路を基板１１の厚み方向に形成することができ、サファイア等から成る絶縁性基板を使用した従来の発光ダイオードに比べて電流通路の抵抗値を下げることができる。また、本実施形態では、低屈折率領域１２ａの屈折率を低くするために相対的にＡｌの混合比を高くした絶縁性の第２の層２２を設けているが、この第２の層２２は量子力学的なトンネル効果が生じる厚みになっている。従って、ＤＢＲ層１２の実効抵抗率も十分に低くなっている。以上より、発光素子の消費電力及び動作電圧の低減化を図ることができる。
【００２８】
【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）  低屈折率領域１２ａの厚みは概ねλ／（４×ｎ）とし、実施形態では１つの低屈率領域１２ａに第２の層（ＡＩＮ）２２を複数層形成している。しかし、図４に示すようにＡｌＮから成る第２の層２２を1
層のみ設けた低屈折率領域１２ａ´を設けることができる。但し、第2の層２２の1層当たりの厚みは、ＤＢＲ１２の抵抗率を低くするために量子力学的なトンネル効果の生じる厚みに設定する必要がある。したがって、実施形態のように、λ／（４×ｎ）の厚みを有する低屈折率領域１２ａに、複数層の第２の層（ＡｌＮ）２２を形成した方がＤＢＲ層1２の実効抵抗率を小さく維持しながら低屈折率領域１２ａの実行屈折率を低くすることができるので望ましい。
（２）  図２の高屈折率領域１２ｂの代りに、図５に示すように相対的にＩｎの混合比の大きいＧａxＩｎ(1-x)Ｎで示す第1の層３１と相対的に混合比の小さいＧａyＩｎ(1-y)Ｎで示す第２の層３２とからなる高屈折率領域１２ｂ´を形成することができる。なお、図５においてｘとｙはｘ＞ｙの関係を有する数値である。Ｉｎの混合比が大きい層を介在させるとＤＢＲ層１２の応力緩和効果が良好に発揮される。
（３）  上述の実施形態では低屈折率領域１２ａが２１層と高屈折率領域１２ｂが２０層。合計４１層のＤＢＲ層１２を示したが、低屈折率層１２ａと高屈折率層１２ｂとをそれ以上のペアー、又はそれ以下のペアーで交互に積層しても良い。但し、良好な反射機能と平坦性の良い窒化ガリウム系化合物半導体を形成するためのバッファ機能を良好に得るために３ペアー以上、望ましくは５ペアー以上設けることが良い。また多数に積層してもＤＢＲ層の反射効率が飽和するので、生産性などの観点から１５０ペアー以下とすることが望ましい。また、低屈折率領域１２ａと高屈折率領域１２ｂの層数を同一とすることができる。
（４）  上述の実施形態では、低屈折率領域１２ａの第２の層２２はＡｌwＧａ1-wＮ（ｚ＜ｗ≦１）においてｗ＝１にしたものに相当するＡｌＮ層であるが、ｗはｚ＜ｗ≦１を満足する任意の値に設定できる。また、上述の実施形態では、低屈折率層１２ａの第1の層２１をＡｌzＧａ1-zＮ（０≦ｚ≦０．５）のｚ＝０としたものに相当するＧａＮ層としたが、ｚは０≦Ｚ≦０．５を満足する任意の値に設定できる。なお、０≦ｚ≦０．５を満足するように設定する理由は、Ａｌの混合率をあまり高めると導電性が低下して素子の動作電圧が増加するからである。
（５）  実施形態では、高屈折率領域１２ｂをＧａxＩｎ1-xＮ（但しｘ＝0.9）としたが、反射領域12の必要な反射特性及び導電性が得られる範囲で変えることができる。また、高屈折率領域１２ｂをＧａＩｎＮに限ることなくＡｌＩｎＮ等のインジウムを含む窒化物系化合物半導体とすることができる。
（６）  ＤＢＲ層１２の上に形成する第１の半導体領域１４は、ＤＢＲ層１２の歪みを良好に緩和できるように５００オングストローム以上にするのが望ましい。
（７）  基板１１を単結晶シリコン以外の導電性を有する多結晶シリコン、シリコン化合物やＧａＡｓ、ＧａＰ等の半導体で構成しても良い。
（８）  基板11、反射領域１２及び半導体領域１３の各半導体の導電形を上述の実施形態と反対の導電形にすることもできる。
（９）  低屈折率領域１２ａの第１の層２１及び第２の層２２のいずれか一方又は両方ともＩｎを含有していても良い。ただし、低屈折率領域１２ａの屈折率が高屈折率領層１２ｂの屈折率よりも低くなりＤＢＲ膜として良好に機能するように、低屈折率領域１２ａ全体におけるＩｎの含有率(混晶比)を高屈折率層１２ｂにおけるＩｎの含有率(混晶比)よりも小さくする。
（１０）  透明電極１８とｐ型半導体領域１６との間にｐ+形半導体領域等を介在させることができる。
（１１）  図６に示すように電流制限用ＧａＮ層１７を省いて電極１９ａをｐ形半導体領域１６の一部に接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態の発光ダイオードを示す中央縦断面図である。
【図２】  図１の発光ダイオードの反射領域を詳しく示す断面図である。
【図３】  図２の低屈折率領域の１つを詳しく示す断面図である。
【図４】  変形例の低屈折率領域を示す断面図である。
【図５】  変形例の高屈折率領域を示す断面図である。
【図６】変形例の発光素子の一部を示す断面図である。
【符号の説明】
１１  シリコン単結晶から成る低抵抗性基板
１２  ＤＢＲ層
１２ａ  低屈折率層
１２ｂ  高屈折率層
１４  ｎ形半導体領域
１５  発光層
１６  ｐ形半導体領域
【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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