JP2003519930A - 相分離が抑制されたｉｉｉ族窒化物半導体構造 - Google Patents
相分離が抑制されたｉｉｉ族窒化物半導体構造Info
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/02—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor bodies
- H01L33/26—Materials of the light emitting region
- H01L33/30—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table
- H01L33/32—Materials of the light emitting region containing only elements of Group III and Group V of the Periodic Table containing nitrogen
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Abstract
(57)【要約】
レーザダイオード、トランジスタ、光検出器などの半導体構造に使用され、相分離を抑制または解消するとともに発光効率を向上させるIII族窒化物４元及び５元材料系並びに方法が開示されている。典型的な実施形態では、半導体構造は、ほぼ相分離なく形成された第１導電型のInGaAlNAs材料系を用いた最初の３元、４元または５元材料層と、ほぼ相分離のないInGaAlNAs材料系を用いた４元または５元材料活性層と、ほぼ相分離なく形成された逆導電型のもう１つの３元、４元または５元InGaAlNAs材料系を備えている。
Description
【０００１】
（関連出願）
本願は、同じ譲受人に譲渡されるとともに、本文に引用の形で盛り込まれ、同
じ発明者の名前による（１９９９年３月２６日出願の）米国特許出願番号０９／
２７６，８８６、（１９９９年３月２６日出願の）米国特許出願番号０９／２７
７，３１９、（１９９９年７月３０日出願の）米国特許出願番号０９／３６５，
１０５、（１９９９年１１月１６日出願の）米国特許出願番号０９／４４２，０
７７、及び（本出願と同日に出願され、ＭＷＥ事件番号５３０７４−０１７であ
る）米国特許出願番号に関連している。
じ発明者の名前による（１９９９年３月２６日出願の）米国特許出願番号０９／
２７６，８８６、（１９９９年３月２６日出願の）米国特許出願番号０９／２７
７，３１９、（１９９９年７月３０日出願の）米国特許出願番号０９／３６５，
１０５、（１９９９年１１月１６日出願の）米国特許出願番号０９／４４２，０
７７、及び（本出願と同日に出願され、ＭＷＥ事件番号５３０７４−０１７であ
る）米国特許出願番号に関連している。
【０００２】
（発明の分野）
本願は半導体の構造及びプロセスに関し、特に、青色または紫外線レーザダイ
オード及びその他類似の半導体に使用されるようなIII族窒化物４元及び５元材
料系と方法に関する。
オード及びその他類似の半導体に使用されるようなIII族窒化物４元及び５元材
料系と方法に関する。
【０００３】
（発明の背景）
青色レーザ光源の開発は、ディスク記憶装置、ＤＶＤ等、次世代の高密度光デ
バイスを先導してきた。図１は、従来技術の半導体レーザ装置の断面図を示す。
（Ｓ．ナカムラ、ＭＲＳブリティン(MRS BULLETIN)第２３冊５号３７〜４３ペー
ジ、１９９８年）。サファイア基板５上に、窒化ガリウム(GaN)緩衝層１０が形
成され、その次にｎ型GaN層１５が形成され、さらに、０．１ｍ厚の二酸化ケイ
素(SiO2)層２０がパターン形成されてGaN<1-100>方向に１２ｍの周期性で４ｍ幅
のストライプ状のウィンドウ２５が形成されている。その後、ｎ型GaN層３０、
ｎ型窒化インジウムガリウム(In0.1Ga0.9N)層３５、ｎ型窒化アルミニウムガリ
ウム(Al0.14Ga0.86N)/GaNＭＤ−ＳＬＳ（変調ドープ歪層超格子）クラッド層４
０、及びｎ型GaNクラッド層４５が形成されている。次に、In0.02Ga0.98N/In0.1 5 Ga0.85NＭＱＷ（多重量子井戸）活性層５０が形成された後、ｐ型Al0.2Ga0.8N
クラッド層５５、ｐ型GaNクラッド層６０、ｐ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳ
クラッド層６５、及びｐ型GaNクラッド層７０が形成されている。ｐ型Al0.14Ga0 .86 N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層５５には、リッジストライプ構造が形成されて
、そのリッジ導波構造内を水平横方向に伝搬する光の場を閉じ込めるようになっ
ている。ｐ型GaNクラッド層７０及びｎ型GaNクラッド層３０の上には、電極が形
成されて電流を注入するようになっている。
バイスを先導してきた。図１は、従来技術の半導体レーザ装置の断面図を示す。
（Ｓ．ナカムラ、ＭＲＳブリティン(MRS BULLETIN)第２３冊５号３７〜４３ペー
ジ、１９９８年）。サファイア基板５上に、窒化ガリウム(GaN)緩衝層１０が形
成され、その次にｎ型GaN層１５が形成され、さらに、０．１ｍ厚の二酸化ケイ
素(SiO2)層２０がパターン形成されてGaN<1-100>方向に１２ｍの周期性で４ｍ幅
のストライプ状のウィンドウ２５が形成されている。その後、ｎ型GaN層３０、
ｎ型窒化インジウムガリウム(In0.1Ga0.9N)層３５、ｎ型窒化アルミニウムガリ
ウム(Al0.14Ga0.86N)/GaNＭＤ−ＳＬＳ（変調ドープ歪層超格子）クラッド層４
０、及びｎ型GaNクラッド層４５が形成されている。次に、In0.02Ga0.98N/In0.1 5 Ga0.85NＭＱＷ（多重量子井戸）活性層５０が形成された後、ｐ型Al0.2Ga0.8N
クラッド層５５、ｐ型GaNクラッド層６０、ｐ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳ
クラッド層６５、及びｐ型GaNクラッド層７０が形成されている。ｐ型Al0.14Ga0 .86 N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層５５には、リッジストライプ構造が形成されて
、そのリッジ導波構造内を水平横方向に伝搬する光の場を閉じ込めるようになっ
ている。ｐ型GaNクラッド層７０及びｎ型GaNクラッド層３０の上には、電極が形
成されて電流を注入するようになっている。
【０００４】
図１に示す構造において、ｎ型GaNクラッド層４５及びｐ型GaNクラッド層６０
は光導波層である。ｎ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０及びｐ
型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５は、InGaNＭＱＷ層５０の活性
領域から放出されたキャリアと光を閉じ込めるクラッド層として作用する。ｎ型
In0.1Ga0.9N層３５は、厚いAlGaN膜を成長させ亀裂の発生を防止する緩衝層とし
て作用する。
は光導波層である。ｎ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０及びｐ
型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５は、InGaNＭＱＷ層５０の活性
領域から放出されたキャリアと光を閉じ込めるクラッド層として作用する。ｎ型
In0.1Ga0.9N層３５は、厚いAlGaN膜を成長させ亀裂の発生を防止する緩衝層とし
て作用する。
【０００５】
図１に示す構造を利用することにより、電極を通じてInGaNＭＱＷ活性層５０
内にキャリアが注入され、４００ｎｍ波長領域の光が放出される。リッジストラ
イプ領域下方ではリッジストライプ領域外よりも実効屈折率が大きいので、ｐ型
Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５に形成されたリッジ導波構造の
ために、光の場が活性層内の水平横方向に閉じ込められる。他方、活性層の屈折
率はｎ型GaNクラッド層４５及びｐ型GaNクラッド層６０の屈折率、さらに、ｎ型
Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０、及びｐ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭ
Ｄ−ＳＬＳクラッド層６０の屈折率よりも大きいので、ｎ型GaNクラッド層４５
、ｎ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０、ｐ型GaNクラッド層６０
、及びｐ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層５５により、光の場が活
性層内の横方向に閉じ込められる。したがって、基本横モード発振が得られる。
内にキャリアが注入され、４００ｎｍ波長領域の光が放出される。リッジストラ
イプ領域下方ではリッジストライプ領域外よりも実効屈折率が大きいので、ｐ型
Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５に形成されたリッジ導波構造の
ために、光の場が活性層内の水平横方向に閉じ込められる。他方、活性層の屈折
率はｎ型GaNクラッド層４５及びｐ型GaNクラッド層６０の屈折率、さらに、ｎ型
Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０、及びｐ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭ
Ｄ−ＳＬＳクラッド層６０の屈折率よりも大きいので、ｎ型GaNクラッド層４５
、ｎ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０、ｐ型GaNクラッド層６０
、及びｐ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層５５により、光の場が活
性層内の横方向に閉じ込められる。したがって、基本横モード発振が得られる。
【０００６】
しかしながら、図１に示す構造の場合、AlGaN、InGaN及びGaNの格子定数の間
には、ｎ型In0.1Ga0.9N層３５、In0.02Ga0.98N/In0.15Ga0.85NＭＱＷ活性層５０
、ｎ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０、ｐ型Al0.14Ga0.86N/GaN
ＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５、及びｐ型Al0.2Ga0.8Nクラッド層５５の全体の厚
さが臨界厚を越えたときは常に歪のエネルギーを解放させる手段として構造内に
欠陥を発生させるのに十分な相違が互いに存在するので、108cm-2より小さい桁
まで欠陥密度を低減させることは困難である。欠陥は相分離に起因し、レーザ光
の吸収の中心として作用するので、発光効率の低下と閾値電流の上昇を引き起こ
す。その結果、動作電流が大きくなり、ひいては信頼性を損なうことになる。
には、ｎ型In0.1Ga0.9N層３５、In0.02Ga0.98N/In0.15Ga0.85NＭＱＷ活性層５０
、ｎ型Al0.14Ga0.86N/GaNＭＤ−ＳＬＳクラッド層４０、ｐ型Al0.14Ga0.86N/GaN
ＭＤ−ＳＬＳクラッド層６５、及びｐ型Al0.2Ga0.8Nクラッド層５５の全体の厚
さが臨界厚を越えたときは常に歪のエネルギーを解放させる手段として構造内に
欠陥を発生させるのに十分な相違が互いに存在するので、108cm-2より小さい桁
まで欠陥密度を低減させることは困難である。欠陥は相分離に起因し、レーザ光
の吸収の中心として作用するので、発光効率の低下と閾値電流の上昇を引き起こ
す。その結果、動作電流が大きくなり、ひいては信頼性を損なうことになる。
【０００７】
さらに、InGaNの３元合金系は、図１の構造では活性層として利用されている
。この場合、バンドギャップエネルギーはInNの1.9eVからGaNの3.5eVまで変化す
る。したがって、3.5eVより高いエネルギー準位の紫外光は、InGaN活性層を利用
して得ることはできない。このことは、紫外光が、例えば、さらに高密度の光デ
ィスク記憶装置やその他の装置内の光ピックアップ装置用光源として魅力的であ
ることから、問題点となる。
。この場合、バンドギャップエネルギーはInNの1.9eVからGaNの3.5eVまで変化す
る。したがって、3.5eVより高いエネルギー準位の紫外光は、InGaN活性層を利用
して得ることはできない。このことは、紫外光が、例えば、さらに高密度の光デ
ィスク記憶装置やその他の装置内の光ピックアップ装置用光源として魅力的であ
ることから、問題点となる。
【０００８】
従来の３元材料系における相分離に起因する欠陥をさらに詳しく理解するため
、InN、GaN及びAlN間の格子定数の不整合を理解する必要がある。InNとGaN間、I
nNとAlN間及びGaNとAlN間の格子不整合は、それぞれ１１．３％、１３．９％及
び２．３％である。したがって、InN、GaN及びAlN間で等価結合距離が互いに異
なっていることからInGaAlN層の等価格子定数が基板と同じであっても、内部歪
エネルギーがInGaAlN層内に蓄積する。内部歪エネルギーを低減するために、InG
aAlN格子不整合材料系内で相分離が発生する組成範囲が存在し、その場合、InGa
AlN層内にIn原子、Ga原子及びAl原子が不均一に分布する。相分離の結果は、InG
aAlN層内の In原子、Ga原子及びAl原子が各構成層内の原子モル分率に従って均
一に分布されないことになる。このことは、相分離を含むどの層のバンドギャッ
プエネルギー分布も不均一になることを意味する。相分離された部分のバンドギ
ャップ領域は、光吸収中心として不均衡に作用するか、あるいは導波光の散乱を
発生させる。上述したように、これらの問題に対する一般的な従来技術の対策は
駆動電流を上昇させることであり、それによって半導体装置の寿命を短縮させて
いた。
、InN、GaN及びAlN間の格子定数の不整合を理解する必要がある。InNとGaN間、I
nNとAlN間及びGaNとAlN間の格子不整合は、それぞれ１１．３％、１３．９％及
び２．３％である。したがって、InN、GaN及びAlN間で等価結合距離が互いに異
なっていることからInGaAlN層の等価格子定数が基板と同じであっても、内部歪
エネルギーがInGaAlN層内に蓄積する。内部歪エネルギーを低減するために、InG
aAlN格子不整合材料系内で相分離が発生する組成範囲が存在し、その場合、InGa
AlN層内にIn原子、Ga原子及びAl原子が不均一に分布する。相分離の結果は、InG
aAlN層内の In原子、Ga原子及びAl原子が各構成層内の原子モル分率に従って均
一に分布されないことになる。このことは、相分離を含むどの層のバンドギャッ
プエネルギー分布も不均一になることを意味する。相分離された部分のバンドギ
ャップ領域は、光吸収中心として不均衡に作用するか、あるいは導波光の散乱を
発生させる。上述したように、これらの問題に対する一般的な従来技術の対策は
駆動電流を上昇させることであり、それによって半導体装置の寿命を短縮させて
いた。
【０００９】
その結果、相分離に起因する格子欠陥を最小限に抑え、例えば、青色光または
紫外光を高効率に発するレーザダイオードとして、さらに、トランジスタ等の他
の半導体構造用に使用可能な半導体構造に対する要望が長い間切実に感じられて
いた。
紫外光を高効率に発するレーザダイオードとして、さらに、トランジスタ等の他
の半導体構造用に使用可能な半導体構造に対する要望が長い間切実に感じられて
いた。
【００１０】
（発明の概略）
本発明は、半導体構造の層間の相分離を物質面で抑制することにより欠陥密度
を大幅に低減させる半導体構造及び方法を提供することによって従来技術の限界
を実質的に克服するものである。これにより、ひいては、発光効率を大幅に向上
させることができる。一般に、本発明は、ｘ、ｙ及びｚが全てゼロではないとき
、化学式In1-x-yGaxAlyN1-zAsz によって総括的に記述されるIII族窒化物４元及
び５元材料系及び方法を利用する。ｘ、ｙまたはｚのうちの１つがゼロであれば
、４元系となることが分かる。しかしながら、ｘ、ｙ、ｚのいずれもがゼロでは
なく、ｘとｙの合計が１にならないときは、５元材料系となる。
を大幅に低減させる半導体構造及び方法を提供することによって従来技術の限界
を実質的に克服するものである。これにより、ひいては、発光効率を大幅に向上
させることができる。一般に、本発明は、ｘ、ｙ及びｚが全てゼロではないとき
、化学式In1-x-yGaxAlyN1-zAsz によって総括的に記述されるIII族窒化物４元及
び５元材料系及び方法を利用する。ｘ、ｙまたはｚのうちの１つがゼロであれば
、４元系となることが分かる。しかしながら、ｘ、ｙ、ｚのいずれもがゼロでは
なく、ｘとｙの合計が１にならないときは、５元材料系となる。
【００１１】
相分離を抑制するためには、各層のAs含有分の分布が均一であることのみなら
ず、Al含有分の分布が均一なGaAlNAs層を有する半導体装置を提供すれば可能で
あることが分かっている。これにより、発光素子の場合、光吸収損失及び導波散
乱損失を低減することができ、高効率の発光素子が実現される。Al及びAsの量を
周到に選択することにより、少なくとも２つの一般的なバンドギャップの領域を
有する素子が生成され、赤外線と青色／紫外線の両方の領域の発光素子を開発す
ることができる。
ず、Al含有分の分布が均一なGaAlNAs層を有する半導体装置を提供すれば可能で
あることが分かっている。これにより、発光素子の場合、光吸収損失及び導波散
乱損失を低減することができ、高効率の発光素子が実現される。Al及びAsの量を
周到に選択することにより、少なくとも２つの一般的なバンドギャップの領域を
有する素子が生成され、赤外線と青色／紫外線の両方の領域の発光素子を開発す
ることができる。
【００１２】
本発明にかかるGaAlNAs４元材料系の第１の実施形態の例によれば、ｘで示すA
l含有率及びｙで示すAs含有率が3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xyが
ほぼ一定の値に等しいという条件を完全に満たす場合には、相分離を回避するの
に充分な均一性があることが分かっている。発光素子の典型的な実施形態では、
上記一定の値は３．１８であってもよい。上記構造の構成層の格子定数が欠陥の
発生を抑制するのに充分なだけ互いに近く、多くの場合、ほぼ等しいので、相分
離がない。
l含有率及びｙで示すAs含有率が3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xyが
ほぼ一定の値に等しいという条件を完全に満たす場合には、相分離を回避するの
に充分な均一性があることが分かっている。発光素子の典型的な実施形態では、
上記一定の値は３．１８であってもよい。上記構造の構成層の格子定数が欠陥の
発生を抑制するのに充分なだけ互いに近く、多くの場合、ほぼ等しいので、相分
離がない。
【００１３】
本発明の第１の実施形態にかかる装置は、一般に、順次積層形成された第１導
電型の最初のGaAlNAs材料層と、GaAlNAs活性層と、逆の導電型のGaAlNAs材料層
を備えている。3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xyがほぼ一定の値に等
しい、例えば、およそ３．１８あるいは３．１８にほぼ等しいという数式に原則
的にしたがってモル分率を維持することにより、構成層の格子定数が互いにほぼ
等しい状態を維持し、欠陥の発生を低減させることになる。
電型の最初のGaAlNAs材料層と、GaAlNAs活性層と、逆の導電型のGaAlNAs材料層
を備えている。3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xyがほぼ一定の値に等
しい、例えば、およそ３．１８あるいは３．１８にほぼ等しいという数式に原則
的にしたがってモル分率を維持することにより、構成層の格子定数が互いにほぼ
等しい状態を維持し、欠陥の発生を低減させることになる。
【００１４】
別の実施形態では、相分離を解消して層境界前後間の均一性を促進させる４元
材料系を使用することにより、半導体構造を基本的に上述のとおりに製造する。
したがって、既に述べたように、最初のクラッド層は第１の導電型かつ第１の組
成のGaAlNAsであり、活性層は第２の組成のGaAlNAsであり、２番目のクラッド層
は最初の層の組成を有する逆の導電型のGaAlNAsである。しかしながら、さらに
、２番目のクラッド層はリッジ構造を有している。既に述べたように、光吸収損
失と導波散乱損失が低減され、より高い効率がもたらされるとともに、光の場を
リッジ構造下方の活性層内の水平横方向に閉じ込めることができるという利点も
さらにもたらされる。この構造は、基本横モード発振も可能にする。
材料系を使用することにより、半導体構造を基本的に上述のとおりに製造する。
したがって、既に述べたように、最初のクラッド層は第１の導電型かつ第１の組
成のGaAlNAsであり、活性層は第２の組成のGaAlNAsであり、２番目のクラッド層
は最初の層の組成を有する逆の導電型のGaAlNAsである。しかしながら、さらに
、２番目のクラッド層はリッジ構造を有している。既に述べたように、光吸収損
失と導波散乱損失が低減され、より高い効率がもたらされるとともに、光の場を
リッジ構造下方の活性層内の水平横方向に閉じ込めることができるという利点も
さらにもたらされる。この構造は、基本横モード発振も可能にする。
【００１５】
レーザダイオードの形での実施に特に適している本発明の第３の実施形態では
、半導体構造は、それぞれ前の層の上に順次形成された、Ga1-x1Alx1N1-y1Asy1
材料からなる第１導電型の最初のクラッドと、Ga1-x2Alx2N1-y2Asy2材料からな
る活性層と、Ga1-x3Alx3N1-y3Asy3材料からなる逆の導電型のもう１つのクラッ
ド層を備えている。このような材料系において、x1、x2及びx3はAl含有率を示し
、y1、y2及びy3はAs含有率を示す。さらに、x1、y1、x2、y2、x3及びy3は、EgGa N 、EgGaAs、EgAlN及びEgAlAsがそれぞれGaN、GaAs、AlN、及びAlAsのバンドギャ
ップエネルギーであるとき、0<x1<1、0<x2<1、0<x3<1、0<y1<1、0<y2<1、0<y3<1
、0.26x1+37y1<=1、0.26x2+37y2<=1、0.26x3+37y3<=1、EgGaN(1-x1)(1-y1) + Eg GaAs (1-x1)y1 + EgAlNx1(1-y1) + EgAlAsx1y1 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1
-x2)y2 + EgAlNx2(1-y2) + EgAlAsx2y2、及びEgGaN(1-x3)(1-y3) + EgGaAs(1-x3
)y3 + EgAlNx3(1-y3) + EgAlAsx3y3 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1-x2)y2 +
EgAlNx2(1-y2) + EgAlAsx2y2の関係を有している。
、半導体構造は、それぞれ前の層の上に順次形成された、Ga1-x1Alx1N1-y1Asy1
材料からなる第１導電型の最初のクラッドと、Ga1-x2Alx2N1-y2Asy2材料からな
る活性層と、Ga1-x3Alx3N1-y3Asy3材料からなる逆の導電型のもう１つのクラッ
ド層を備えている。このような材料系において、x1、x2及びx3はAl含有率を示し
、y1、y2及びy3はAs含有率を示す。さらに、x1、y1、x2、y2、x3及びy3は、EgGa N 、EgGaAs、EgAlN及びEgAlAsがそれぞれGaN、GaAs、AlN、及びAlAsのバンドギャ
ップエネルギーであるとき、0<x1<1、0<x2<1、0<x3<1、0<y1<1、0<y2<1、0<y3<1
、0.26x1+37y1<=1、0.26x2+37y2<=1、0.26x3+37y3<=1、EgGaN(1-x1)(1-y1) + Eg GaAs (1-x1)y1 + EgAlNx1(1-y1) + EgAlAsx1y1 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1
-x2)y2 + EgAlNx2(1-y2) + EgAlAsx2y2、及びEgGaN(1-x3)(1-y3) + EgGaAs(1-x3
)y3 + EgAlNx3(1-y3) + EgAlAsx3y3 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1-x2)y2 +
EgAlNx2(1-y2) + EgAlAsx2y2の関係を有している。
【００１６】
上記の材料系にしたがって再現可能な半導体構造を提供するため、GaAlNAs層
の例示的な実施形態は0<x<1、0<y<1及び0.26x+37y<=1の関係を満たすAl含有率ｘ
、As含有率ｙを有している。既に述べたように、この材料系により、光吸収損失
及び導波散乱損失の低減が可能になり、高効率発光素子が実現する。さらに、x1
、y1、x2、y2、x3及びy3が、0<x1<1、0<x2<1、0<x3<1、0<y1<1、0<y2<1、0<y3<1
、0.26x1+37y1<=1、0.26x2+37y2<=1、0.26x3+37y3<=1、EgGaN(1-x1)(1-y1) + Eg GaAs (1-x1)y1 + EgAlNx1(1-y1) + EgAlAsx1y1 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1
-x2)y2 + EgAlNx2(1-y2) + EgAlAsx2y2、及びEgGaN(1-x3)(1-y3) + EgGaAs(1-x3
)y3 + EgAlNx3(1-y3) + EgAlAsx3y3 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1-x2)y2 +
EgAlNx2(1-y2) + EgAlAsx2y2の関係を有するとき、活性層のGaAlNAsのバンドギ
ャップエネルギーは最初のクラッド層及びもう１つのクラッド層のバンドギャッ
プエネルギーより小さくなる。このような条件下では、注入キャリアが活性層内
に閉じ込められる。少なくとも一部の実施形態では、第３の発光素子は、全構成
層のAl含有率ｘｗ及びAs含有率ｙｗが0<xw<1、0<yw<1及び0.26xw+37yw<=1の関係
を満たすGaAlNAs単一あるいは多重量子井戸活性層を有していることが好ましい
。
の例示的な実施形態は0<x<1、0<y<1及び0.26x+37y<=1の関係を満たすAl含有率ｘ
、As含有率ｙを有している。既に述べたように、この材料系により、光吸収損失
及び導波散乱損失の低減が可能になり、高効率発光素子が実現する。さらに、x1
、y1、x2、y2、x3及びy3が、0<x1<1、0<x2<1、0<x3<1、0<y1<1、0<y2<1、0<y3<1
、0.26x1+37y1<=1、0.26x2+37y2<=1、0.26x3+37y3<=1、EgGaN(1-x1)(1-y1) + Eg GaAs (1-x1)y1 + EgAlNx1(1-y1) + EgAlAsx1y1 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1
-x2)y2 + EgAlNx2(1-y2) + EgAlAsx2y2、及びEgGaN(1-x3)(1-y3) + EgGaAs(1-x3
)y3 + EgAlNx3(1-y3) + EgAlAsx3y3 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1-x2)y2 +
EgAlNx2(1-y2) + EgAlAsx2y2の関係を有するとき、活性層のGaAlNAsのバンドギ
ャップエネルギーは最初のクラッド層及びもう１つのクラッド層のバンドギャッ
プエネルギーより小さくなる。このような条件下では、注入キャリアが活性層内
に閉じ込められる。少なくとも一部の実施形態では、第３の発光素子は、全構成
層のAl含有率ｘｗ及びAs含有率ｙｗが0<xw<1、0<yw<1及び0.26xw+37yw<=1の関係
を満たすGaAlNAs単一あるいは多重量子井戸活性層を有していることが好ましい
。
【００１７】
上記の構造の利点の１つは、レーザダイオードの閾値電流密度を低減させるこ
とである。このことは、単一または多重量子井戸構造を使用することによって実
現可能であり、それにより、活性層の状態密度が低減される。これにより、反転
分布に必要なキャリア密度が小さくなり、閾値電流密度が低下した、あるいは低
いレーザダイオードが実現する。
とである。このことは、単一または多重量子井戸構造を使用することによって実
現可能であり、それにより、活性層の状態密度が低減される。これにより、反転
分布に必要なキャリア密度が小さくなり、閾値電流密度が低下した、あるいは低
いレーザダイオードが実現する。
【００１８】
第３の発光素子では、ｘｓとｙｓが各構成層においてそれぞれAl含有率とAs含
有率であるとき、3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)ys+3.11xs(1-ys)+4xsysが一定の
値にほぼ等しい（およそ３．１８または３．１８に近い）という条件が満たされ
ることが好ましい。既に述べたように、これにより、各構成層の格子定数が互い
にほぼ等しくなり、ひいては、相分離に起因する欠陥がほぼ最小限に抑えられる
。
有率であるとき、3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)ys+3.11xs(1-ys)+4xsysが一定の
値にほぼ等しい（およそ３．１８または３．１８に近い）という条件が満たされ
ることが好ましい。既に述べたように、これにより、各構成層の格子定数が互い
にほぼ等しくなり、ひいては、相分離に起因する欠陥がほぼ最小限に抑えられる
。
【００１９】
本発明の第４の実施形態では、半導体構造は、それぞれ前の層の上に順次形成
された、Ga1-x1Alx1N1-y1Asy1材料からなる第１の導電型の最初のクラッド層と
、Ga1-x2Alx2N1-y2Asy2活性層と、Ga1-x3Alx3N1-y3Asy3材料からなる逆の導電型
のもう１つのクラッド層を備えていてもよい。さらに、このもう１つのクラッド
層はリッジ構造を有している。上述の材料系の場合、x1、x2及びx3はAl含有率を
示し、y1、y2及びy3はAs含有率を示し、x1、y1、x2、y2、x3及びy3は、EgGaN、E
gGaAs、EgAlN及びEgAlAsがそれぞれGaN、GaAs、AlN、及びAlAsのバンドギャップ
エネルギーであるとき、0<x1<1、0<x2<1、0<x3<1、0<y1<1、0<y2<1、0<y3<1、0.
26x1+37y1<=1、0.26x2+37y2<=1、0.26x3+37y3<=1、EgGaN(1-x1)(1-y1) + EgGaAs (1-x1)y1 + EgAlNx1(1-y1) + EgAlAsx1y1 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1-x2)
y2 + EgAlNx2(1-y2) + EgAlAsx2y2、及びEgGaN(1-x3)(1-y3) + EgGaAs(1-x3)y3
+ EgAlNx3(1-y3) + EgAlAsx3y3 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1-x2)y2 + EgAl N x2(1-y2) + EgAlAsx2y2の関係を有している。
された、Ga1-x1Alx1N1-y1Asy1材料からなる第１の導電型の最初のクラッド層と
、Ga1-x2Alx2N1-y2Asy2活性層と、Ga1-x3Alx3N1-y3Asy3材料からなる逆の導電型
のもう１つのクラッド層を備えていてもよい。さらに、このもう１つのクラッド
層はリッジ構造を有している。上述の材料系の場合、x1、x2及びx3はAl含有率を
示し、y1、y2及びy3はAs含有率を示し、x1、y1、x2、y2、x3及びy3は、EgGaN、E
gGaAs、EgAlN及びEgAlAsがそれぞれGaN、GaAs、AlN、及びAlAsのバンドギャップ
エネルギーであるとき、0<x1<1、0<x2<1、0<x3<1、0<y1<1、0<y2<1、0<y3<1、0.
26x1+37y1<=1、0.26x2+37y2<=1、0.26x3+37y3<=1、EgGaN(1-x1)(1-y1) + EgGaAs (1-x1)y1 + EgAlNx1(1-y1) + EgAlAsx1y1 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1-x2)
y2 + EgAlNx2(1-y2) + EgAlAsx2y2、及びEgGaN(1-x3)(1-y3) + EgGaAs(1-x3)y3
+ EgAlNx3(1-y3) + EgAlAsx3y3 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1-x2)y2 + EgAl N x2(1-y2) + EgAlAsx2y2の関係を有している。
【００２０】
先の実施形態の場合と同様に、各GaAlNAs層はAl含有分とAs含有分の分布が均
一であり、各GaAlNAs層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙが0<x<1、0<y<1及び0.26x+3
7y<=1の関係を満たすときは、それを再現可能に得ることができる。x1、y1、x2
、y2、x3及びy3が、0<x1<1、0<x2<1、0<x3<1、0<y1<1、0<y2<1、0<y3<1、0.26x1
+37y1<=1、0.26x2+37y2<=1、0.26x3+37y3<=1、EgGaN(1-x1)(1-y1) + EgGaAs(1-x
1)y1 + EgAlNx1(1-y1) + EgAlAsx1y1 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1-x2)y2 +
EgAlNx2(1-y2) + EgAlAsx2y2、及びEgGaN(1-x3)(1-y3) + EgGaAs(1-x3)y3 + Eg AlN x3(1-y3) + EgAlAsx3y3 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1-x2)y2 + EgAlNx2(
1-y2) + EgAlAsx2y2の関係を有するとき、GaAlNAs活性層のバンドギャップエネ
ルギーは第１のクラッド層及び第２のクラッド層のバンドギャップエネルギーよ
り小さくなる。先の実施形態と同様に、注入キャリアが活性層内に閉じ込められ
、光の場がリッジ構造下方の活性層内の水平横方向に閉じ込められて、基本横モ
ード発振が発生する。
一であり、各GaAlNAs層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙが0<x<1、0<y<1及び0.26x+3
7y<=1の関係を満たすときは、それを再現可能に得ることができる。x1、y1、x2
、y2、x3及びy3が、0<x1<1、0<x2<1、0<x3<1、0<y1<1、0<y2<1、0<y3<1、0.26x1
+37y1<=1、0.26x2+37y2<=1、0.26x3+37y3<=1、EgGaN(1-x1)(1-y1) + EgGaAs(1-x
1)y1 + EgAlNx1(1-y1) + EgAlAsx1y1 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1-x2)y2 +
EgAlNx2(1-y2) + EgAlAsx2y2、及びEgGaN(1-x3)(1-y3) + EgGaAs(1-x3)y3 + Eg AlN x3(1-y3) + EgAlAsx3y3 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1-x2)y2 + EgAlNx2(
1-y2) + EgAlAsx2y2の関係を有するとき、GaAlNAs活性層のバンドギャップエネ
ルギーは第１のクラッド層及び第２のクラッド層のバンドギャップエネルギーよ
り小さくなる。先の実施形態と同様に、注入キャリアが活性層内に閉じ込められ
、光の場がリッジ構造下方の活性層内の水平横方向に閉じ込められて、基本横モ
ード発振が発生する。
【００２１】
先の実施形態と同様に、第４の実施形態は、一般に、全構成層のAl含有率ｘｗ
及びAs含有率ｙｗが0<xw<1、0<yw<1及び0.26xw+37yw<=1の関係を満たすGaAlNAs
単一あるいは多重量子井戸活性層を有している。また、ｘｓとｙｓが各構成層に
おいてそれぞれAl含有率とAs含有率であるとき、3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)y
s+3.11xs(1-ys) +4xsysがほぼ一定の値に等しい、例えば、およそ３．１８また
は３．１８に近いという条件が一般的に満たされる。同様のパラメータは、サフ
ァイア、炭化珪素等の他の基板にも当てはまる。
及びAs含有率ｙｗが0<xw<1、0<yw<1及び0.26xw+37yw<=1の関係を満たすGaAlNAs
単一あるいは多重量子井戸活性層を有している。また、ｘｓとｙｓが各構成層に
おいてそれぞれAl含有率とAs含有率であるとき、3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)y
s+3.11xs(1-ys) +4xsysがほぼ一定の値に等しい、例えば、およそ３．１８また
は３．１８に近いという条件が一般的に満たされる。同様のパラメータは、サフ
ァイア、炭化珪素等の他の基板にも当てはまる。
【００２２】
III族窒化物材料の中では、相対的に大きなバンドギャップであり、かつ直接
バンドギャップを有することから、InNも可視光発光素子、可視光検出器及び高
出力トランジスタ素子への適用に魅力的である。GaAlNAs材料に対する構造設計
概念と同じ概念をInGaNAs、AlInNAs等の他の材料系を用いた半導体装置にも適用
可能である。
バンドギャップを有することから、InNも可視光発光素子、可視光検出器及び高
出力トランジスタ素子への適用に魅力的である。GaAlNAs材料に対する構造設計
概念と同じ概念をInGaNAs、AlInNAs等の他の材料系を用いた半導体装置にも適用
可能である。
【００２３】
InGaNAs材料系を用いた半導体装置の場合、各InGaNAs層はIn含有分とGa含有分
とN含有分とAs含有分との分布が均一であり、各InGaNAs層のGa含有率ｘ及びAs含
有率ｙが0<=x<=1、0<=y<=1、及びx/0.2+y/0.9<=1または1.25x-8.33y>=1の関係を
満たすときは、それを再現可能に得ることができる。
とN含有分とAs含有分との分布が均一であり、各InGaNAs層のGa含有率ｘ及びAs含
有率ｙが0<=x<=1、0<=y<=1、及びx/0.2+y/0.9<=1または1.25x-8.33y>=1の関係を
満たすときは、それを再現可能に得ることができる。
【００２４】
AlInNAs材料系を用いた半導体装置の場合、各AlInNAs層はAl含有分とIn含有分
とN含有分とAs含有分との分布が均一であり、各AlInNAs層のIn含有率ｘ及びAs含
有率ｙが0<=x<=1、0<=y<=1、及び1<=x/0.1+y/0.02またはx/0.9-2.22y>=1の関係
を満たすときは、それを再現可能に得ることができる。
とN含有分とAs含有分との分布が均一であり、各AlInNAs層のIn含有率ｘ及びAs含
有率ｙが0<=x<=1、0<=y<=1、及び1<=x/0.1+y/0.02またはx/0.9-2.22y>=1の関係
を満たすときは、それを再現可能に得ることができる。
【００２５】
上記の結果は、従来の処理温度及び時間、通常、５００℃ないし１０００℃の
範囲内で実現可能である。アプライド・フィジックス・レターズ(Appl. Phys. L
ett.) 58(5)、１９９１年２月４日、５２６ページ以下「低圧有機金属化学蒸着
を用いた光学的電気的高品質GaN層の成長(Growth of high optical and electri
cal quality GaN layers using low-pressure metalorganic chemical vapor de
position)」参照。
範囲内で実現可能である。アプライド・フィジックス・レターズ(Appl. Phys. L
ett.) 58(5)、１９９１年２月４日、５２６ページ以下「低圧有機金属化学蒸着
を用いた光学的電気的高品質GaN層の成長(Growth of high optical and electri
cal quality GaN layers using low-pressure metalorganic chemical vapor de
position)」参照。
【００２６】
本発明は、添付の図面とともに次の発明の詳細な説明によってより深く理解で
きるであろう。
きるであろう。
【００２７】
（発明の詳細な説明）
一般に、本発明は、モル分率ｘ、ｙ及びｚが全てゼロではないとき、化学式In 1-x-y
GaxAlyN1-zAsz によって総括的に記述されるIII族窒化物４元及び５元材料
系及び方法を利用する。ｘ、ｙまたはｚのうちの１つがゼロであれば、４元系と
なることが分かる。しかしながら、ｘ、ｙ、ｚのいずれもがゼロではなく、ｘと
ｙの合計が１にならないときは、５元材料系となる。
系及び方法を利用する。ｘ、ｙまたはｚのうちの１つがゼロであれば、４元系と
なることが分かる。しかしながら、ｘ、ｙ、ｚのいずれもがゼロではなく、ｘと
ｙの合計が１にならないときは、５元材料系となる。
【００２８】
本発明の第１ないし第４実施形態では、ガリウムとアルミニウムのモル分率（
すなわち、上記ｘとｙの値）を、それぞれの実施形態間で個別のモル分率または
物理構造は異なるが、１に等しくなるように設定することにより、GaAlNAs材料
系が形成される。第５及び第６の実施形態はInGaNAs材料系からなる一方、第７
及び第８の実施形態はAlInNAs材料系を利用する。先の実施形態と同様に、個別
のモル分率または構造的特徴が異なるが、上述した総括化学式に適合する。また
、本発明の総括化学式に従うとともに、ｘ、ｙ、ｚがそれぞれゼロではなくｘと
ｙの合計が１にならない５元材料系が存在することも理解できる。各実施形態を
以下にさらに詳しく説明する。
すなわち、上記ｘとｙの値）を、それぞれの実施形態間で個別のモル分率または
物理構造は異なるが、１に等しくなるように設定することにより、GaAlNAs材料
系が形成される。第５及び第６の実施形態はInGaNAs材料系からなる一方、第７
及び第８の実施形態はAlInNAs材料系を利用する。先の実施形態と同様に、個別
のモル分率または構造的特徴が異なるが、上述した総括化学式に適合する。また
、本発明の総括化学式に従うとともに、ｘ、ｙ、ｚがそれぞれゼロではなくｘと
ｙの合計が１にならない５元材料系が存在することも理解できる。各実施形態を
以下にさらに詳しく説明する。
【００２９】
まず、図２では、本発明の第１の実施形態にかかる半導体構造を断面図で示す
。本発明は複数の素子タイプに適用されるが、例示のため、図面の多くにおいて
示す半導体構造はレーザダイオードとする。特に図２に示すように、ｎ型GaN基
板１００が設けられており、その上には、ｎ型GaN第１クラッド層１０５（通常
０．５μｍ厚）が形成されている。その後、通常およそ１．５μｍ厚のｎ型Ga0. 75 Al0.25N0.979As0.021材料からなる第２のクラッド層１１０が形成された後、
典型的な構成ではおよそ３５オングストローム厚のGa0.85Al0.15N0.987As0.013
材料からなる４つの障壁層と３対の形で構成されるおよそ３５オングストローム
厚のGa0.95Al0.05N0.996As0.004材料からなる３つの量子井戸層とから構成され
た多重量子井戸活性層１１５が形成される。次に、ｐ型Ga0.75Al0.25N0.979As0. 021 （通常およそ１．５μｍ厚）の第３のクラッド層１２０が形成された後、ｐ
型GaN第５クラッド層１２５（通常およそ０．５μｍ厚）が形成される。ｐ型GaN
第４クラッド層１２５上には、１個のストライプ状ウィンドウ領域１３５（３．
０μｍ幅）を有するSiO2層１３０が形成される。ｎ型GaN基板１００上には第１
の電極１４０が形成される一方、SiO2層１３０及びウィンドウ領域１３５上には
第２の電極１４５が形成される。
。本発明は複数の素子タイプに適用されるが、例示のため、図面の多くにおいて
示す半導体構造はレーザダイオードとする。特に図２に示すように、ｎ型GaN基
板１００が設けられており、その上には、ｎ型GaN第１クラッド層１０５（通常
０．５μｍ厚）が形成されている。その後、通常およそ１．５μｍ厚のｎ型Ga0. 75 Al0.25N0.979As0.021材料からなる第２のクラッド層１１０が形成された後、
典型的な構成ではおよそ３５オングストローム厚のGa0.85Al0.15N0.987As0.013
材料からなる４つの障壁層と３対の形で構成されるおよそ３５オングストローム
厚のGa0.95Al0.05N0.996As0.004材料からなる３つの量子井戸層とから構成され
た多重量子井戸活性層１１５が形成される。次に、ｐ型Ga0.75Al0.25N0.979As0. 021 （通常およそ１．５μｍ厚）の第３のクラッド層１２０が形成された後、ｐ
型GaN第５クラッド層１２５（通常およそ０．５μｍ厚）が形成される。ｐ型GaN
第４クラッド層１２５上には、１個のストライプ状ウィンドウ領域１３５（３．
０μｍ幅）を有するSiO2層１３０が形成される。ｎ型GaN基板１００上には第１
の電極１４０が形成される一方、SiO2層１３０及びウィンドウ領域１３５上には
第２の電極１４５が形成される。
【００３０】
活性層１１５から３８０ｎｍの波長領域を有する紫色光を放出させるために、
全ての層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.18(1-x)(1-y) +3.99(1-x)y+3.11x(1
-y)+4xyがほぼ一定の値に等しく、少なくとも第１の実施形態の場合はおよそ３
．１８であるという条件を一様に満たしている。相分離に起因する欠陥を回避す
るため、様々な構成層のそれぞれにおいてAl含有率ｘ及びAs含有率ｙを3.18(1-x
)(1-y)+3.99(1-x)y+ 3.11x(1-y)+4xyが一定の値にほぼ等しい、第１の実施形態
の場合はおよそ３．１８±０．０５であるという条件を満たすように設定するこ
とによって、様々な構成層の格子定数を互いに一致させ、各層の等価格子定数が
GaNの格子定数にほぼ等しくなるようにしている。
全ての層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.18(1-x)(1-y) +3.99(1-x)y+3.11x(1
-y)+4xyがほぼ一定の値に等しく、少なくとも第１の実施形態の場合はおよそ３
．１８であるという条件を一様に満たしている。相分離に起因する欠陥を回避す
るため、様々な構成層のそれぞれにおいてAl含有率ｘ及びAs含有率ｙを3.18(1-x
)(1-y)+3.99(1-x)y+ 3.11x(1-y)+4xyが一定の値にほぼ等しい、第１の実施形態
の場合はおよそ３．１８±０．０５であるという条件を満たすように設定するこ
とによって、様々な構成層の格子定数を互いに一致させ、各層の等価格子定数が
GaNの格子定数にほぼ等しくなるようにしている。
【００３１】
材料を適正に選択することにより、ｎ型第２クラッド層１１０及びｐ型第３ク
ラッド層１２０のバンドギャップエネルギーが３対の多重量子井戸活性層１１５
のバンドギャップエネルギーより大きくなる。これにより、ｎ型第２クラッド層
１１０及びｐ型第３クラッド層１２０からの注入キャリアが活性層１１５内に閉
じ込められ、キャリアが再結合して紫外光を放出する。さらに、ｎ型第２クラッ
ド層１１０及びｐ型第３クラッド層１２０の屈折率が多重量子井戸活性層１１５
の屈折率より小さいので、光の場が横方向に閉じ込められる。
ラッド層１２０のバンドギャップエネルギーが３対の多重量子井戸活性層１１５
のバンドギャップエネルギーより大きくなる。これにより、ｎ型第２クラッド層
１１０及びｐ型第３クラッド層１２０からの注入キャリアが活性層１１５内に閉
じ込められ、キャリアが再結合して紫外光を放出する。さらに、ｎ型第２クラッ
ド層１１０及びｐ型第３クラッド層１２０の屈折率が多重量子井戸活性層１１５
の屈折率より小さいので、光の場が横方向に閉じ込められる。
【００３２】
電極１４５からの注入電流は閉じ込められてウィンドウ領域１３５を流れるの
で、ウィンドウ領域１３５下方の活性層１１５内の領域が強く活性化される。こ
れにより、ウィンドウ領域６Ａ下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層下方の
活性層内の局部モード利得より高くなる。したがって、第１の実施形態の構造内
に、レーザ発振をもたらす利得導波による導波路が形成される。
で、ウィンドウ領域１３５下方の活性層１１５内の領域が強く活性化される。こ
れにより、ウィンドウ領域６Ａ下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層下方の
活性層内の局部モード利得より高くなる。したがって、第１の実施形態の構造内
に、レーザ発振をもたらす利得導波による導波路が形成される。
【００３３】
図３は、第１の実施形態に従って構成されたレーザダイオードの放出光対駆動
電流の図を示す。レーザダイオードはデューティサイクル１％のパルス電流で駆
動される。閾値電流密度は６．０kA/cm2であることが分かる。
電流の図を示す。レーザダイオードはデューティサイクル１％のパルス電流で駆
動される。閾値電流密度は６．０kA/cm2であることが分かる。
【００３４】
図４Ａないし図４Ｄは、第１の実施形態にかかる典型的なレーザダイオードを
構成するのに必要な製造工程の概要を順に示す。図４Ａないし図４Ｄから得られ
る構造は図２に示すものと類似しているので、可能な場合には要素に同じ参照番
号を使用することとする。最初に図４Ａに示すように、ｎ型GaN基板１００が設
けられており、その上には、ｎ型GaN第１クラッド層１０５が成長している。第
１クラッド層１０５は通常およそ０．５μｍ厚である。その後、通常およそ１．
５μｍ厚のｎ型Ga0.75Al0.25N0.979As0.021第２クラッド層１１０が形成される
。
構成するのに必要な製造工程の概要を順に示す。図４Ａないし図４Ｄから得られ
る構造は図２に示すものと類似しているので、可能な場合には要素に同じ参照番
号を使用することとする。最初に図４Ａに示すように、ｎ型GaN基板１００が設
けられており、その上には、ｎ型GaN第１クラッド層１０５が成長している。第
１クラッド層１０５は通常およそ０．５μｍ厚である。その後、通常およそ１．
５μｍ厚のｎ型Ga0.75Al0.25N0.979As0.021第２クラッド層１１０が形成される
。
【００３５】
次に、およそ３５オングストローム厚のGa0.85Al0.15N0.987As0.013材料から
なる４つの障壁層と、それぞれおよそ３５オングストローム厚の３層のGa0.95Al 0.05 N0.996As0.004材料からなる３つの量子井戸を形成することにより、多重量
子井戸活性層１１５が形成される。その後、およそ１．５μｍ厚のｐ型Ga0.75Al 0.25 N0.979As0.021材料からなる第３クラッド層１２０が形成された後、およそ
０．５μｍ厚のｐ型GaNからなる第４クラッド層１２５が形成される。通常、各
層は有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法あるいは分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法
のどちらかによって形成される。
なる４つの障壁層と、それぞれおよそ３５オングストローム厚の３層のGa0.95Al 0.05 N0.996As0.004材料からなる３つの量子井戸を形成することにより、多重量
子井戸活性層１１５が形成される。その後、およそ１．５μｍ厚のｐ型Ga0.75Al 0.25 N0.979As0.021材料からなる第３クラッド層１２０が形成された後、およそ
０．５μｍ厚のｐ型GaNからなる第４クラッド層１２５が形成される。通常、各
層は有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法あるいは分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法
のどちらかによって形成される。
【００３６】
その後、図４Ｂに示すように、ｐ型GaN第４クラッド層１２５上に、例えば化
学蒸着（ＣＶＤ）法によって二酸化珪素(SiO2)層１３０が形成される。フォトリ
ソグラフィとエッチングまたは他の適切な方法とを用いて、図４Ｃに示すように
、ウィンドウ領域１３５が形成される。ウィンドウ領域１３５は、少なくとも一
部の実施形態ではストライプ状であってもよい。最後に、図４Ｄに示すように、
蒸着あるいは他の適切な方法により、ｎ型GaN基板１００とSiO2層１３０上にそ
れぞれ第１の電極１４０と第２の電極１４５が形成される。
学蒸着（ＣＶＤ）法によって二酸化珪素(SiO2)層１３０が形成される。フォトリ
ソグラフィとエッチングまたは他の適切な方法とを用いて、図４Ｃに示すように
、ウィンドウ領域１３５が形成される。ウィンドウ領域１３５は、少なくとも一
部の実施形態ではストライプ状であってもよい。最後に、図４Ｄに示すように、
蒸着あるいは他の適切な方法により、ｎ型GaN基板１００とSiO2層１３０上にそ
れぞれ第１の電極１４０と第２の電極１４５が形成される。
【００３７】
次に、図５を参照することにより、本発明にかかる半導体構造の第２の実施形
態をより深く理解することができる。第１の実施形態と同様に、第２の実施形態
の典型的な適用例はレーザダイオードの作成である。第２の実施形態の構造によ
り、実屈折率導波を有する導波路を構造内に組み込むことができる。これにより
、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される。
態をより深く理解することができる。第１の実施形態と同様に、第２の実施形態
の典型的な適用例はレーザダイオードの作成である。第２の実施形態の構造によ
り、実屈折率導波を有する導波路を構造内に組み込むことができる。これにより
、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される。
【００３８】
さらに図５に基づいて、参照しやすくするため、同じ要素を同じ参照番号で示
す。ｎ型GaN基板１００に、およそ０．５μｍ厚のｎ型GaNから第１クラッド層１
０５が形成されている。続いて、およそ１．５μｍ厚のGa0.75Al0.25N0.979As0. 021 材料からｎ型第２クラッド層１１０が形成されている。その後、およそ３５
オングストローム厚のGa0.85Al0.15N0.987As0.013材料からなる４つの障壁層と
およそ３５オングストローム厚のGa0.95Al0.05N0.996As0.004材料からなる３つ
の井戸層とを備えた多重量子井戸活性層１１５が形成されている。次に、およそ
１．５μｍ厚のGa0.75Al0.25N0.979As0.021材料からなる第３のｐ型クラッド層
１２０が形成されている。その後、第３クラッド層１２０のリッジ構造５００全
体に、およそ０．５ｎｍ厚のｐ型GaN第４クラッド層１２５が形成されている。
そして、第３及び第４クラッド層が部分的に除去されてリッジ構造５００が形成
されている。その後、第３クラッド層１２０の残存する露出部分と第４クラッド
層１２５を覆うように二酸化珪素(SiO2)層１３０が形成されている。第４及び第
３クラッド層１２５、１２０の上方には、それぞれSiO2層を介して、およそ２．
０μｍ幅のストライプ状のウィンドウ領域１３５が形成されている。第１の実施
形態と同様に、ｎ型GaN基板１００上には第１の電極１４０が形成され、SiO2層
１３０上には第２の電極１４５が形成されている。
す。ｎ型GaN基板１００に、およそ０．５μｍ厚のｎ型GaNから第１クラッド層１
０５が形成されている。続いて、およそ１．５μｍ厚のGa0.75Al0.25N0.979As0. 021 材料からｎ型第２クラッド層１１０が形成されている。その後、およそ３５
オングストローム厚のGa0.85Al0.15N0.987As0.013材料からなる４つの障壁層と
およそ３５オングストローム厚のGa0.95Al0.05N0.996As0.004材料からなる３つ
の井戸層とを備えた多重量子井戸活性層１１５が形成されている。次に、およそ
１．５μｍ厚のGa0.75Al0.25N0.979As0.021材料からなる第３のｐ型クラッド層
１２０が形成されている。その後、第３クラッド層１２０のリッジ構造５００全
体に、およそ０．５ｎｍ厚のｐ型GaN第４クラッド層１２５が形成されている。
そして、第３及び第４クラッド層が部分的に除去されてリッジ構造５００が形成
されている。その後、第３クラッド層１２０の残存する露出部分と第４クラッド
層１２５を覆うように二酸化珪素(SiO2)層１３０が形成されている。第４及び第
３クラッド層１２５、１２０の上方には、それぞれSiO2層を介して、およそ２．
０μｍ幅のストライプ状のウィンドウ領域１３５が形成されている。第１の実施
形態と同様に、ｎ型GaN基板１００上には第１の電極１４０が形成され、SiO2層
１３０上には第２の電極１４５が形成されている。
【００３９】
第１の実施形態と同様に、活性層１１５から３５０ｎｍ領域の波長を有する紫
外光を放出させるために、井戸層内のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙがそれぞれ０．
０５、０．００４に設定されている。同様に、各構成層の格子定数を一致させて
相分離に起因する欠陥を回避するため、全ての層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙが
、3.18(1-x)(1-y) +3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xyがほぼ一定の値に等しい、例え
ば、３．１８±０．０５であるという条件を満たしている。同様に、クラッド層
のバンドギャップエネルギーが活性層のバンドギャップエネルギーより大きい値
に維持され、紫外光の放出が可能になっている。また、材料の屈折率は第１の実
施形態に関連して述べたとおりであり、光の場を横方向に閉じ込められるように
なっている。
外光を放出させるために、井戸層内のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙがそれぞれ０．
０５、０．００４に設定されている。同様に、各構成層の格子定数を一致させて
相分離に起因する欠陥を回避するため、全ての層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙが
、3.18(1-x)(1-y) +3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xyがほぼ一定の値に等しい、例え
ば、３．１８±０．０５であるという条件を満たしている。同様に、クラッド層
のバンドギャップエネルギーが活性層のバンドギャップエネルギーより大きい値
に維持され、紫外光の放出が可能になっている。また、材料の屈折率は第１の実
施形態に関連して述べたとおりであり、光の場を横方向に閉じ込められるように
なっている。
【００４０】
第１の実施形態の動作と同様に、SiO2層が注入電流を拘束するので、活性層１
１５のウィンドウ領域１３５下方の領域が強く活性化される。その結果は、やは
り、ウィンドウ領域１３５下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層１３０下方
の活性層内の局部モード利得より高くなる。これにより、リッジストライプ領域
の外側と比較して内側において横方向の実効屈折率が相対的に高くなることと相
俟って、実効屈折率ステップが得られる。これにより、実屈折率導波により形成
された組込み式の導波路を有する構造が得られる。したがって、第２の実施形態
の構造により、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供さ
れる。
１５のウィンドウ領域１３５下方の領域が強く活性化される。その結果は、やは
り、ウィンドウ領域１３５下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層１３０下方
の活性層内の局部モード利得より高くなる。これにより、リッジストライプ領域
の外側と比較して内側において横方向の実効屈折率が相対的に高くなることと相
俟って、実効屈折率ステップが得られる。これにより、実屈折率導波により形成
された組込み式の導波路を有する構造が得られる。したがって、第２の実施形態
の構造により、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供さ
れる。
【００４１】
図６は第２の実施形態にかかるレーザダイオードの放出光対駆動電流特性をグ
ラフ形式で示す。レーザダイオードは持続波電流で駆動される。閾値電流は３８
．５ｍＡであることが分かる。
ラフ形式で示す。レーザダイオードは持続波電流で駆動される。閾値電流は３８
．５ｍＡであることが分かる。
【００４２】
次に、図７Ａないし図７Ｅに、第２の実施形態にかかる半導体レーザダイオー
ドの典型的な素子の主要製造工程の概要を示す。
ドの典型的な素子の主要製造工程の概要を示す。
【００４３】
まず、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、ｎ型GaN基板１００上への第１及び第
２クラッド層１０５、１１０及び３対の多重量子井戸活性層１１５の形成は第１
の実施形態と同じである。その後、第３及び第４のクラッド層１２０、１２５が
形成された後、通常はエッチングにより、一部が除去されてリッジ構造５００が
形成される。既に述べたように、典型的な実施形態では、ＭＯＣＶＤ法あるいは
ＭＢＥ法のどちらかにより様々な層が順次形成される。
２クラッド層１０５、１１０及び３対の多重量子井戸活性層１１５の形成は第１
の実施形態と同じである。その後、第３及び第４のクラッド層１２０、１２５が
形成された後、通常はエッチングにより、一部が除去されてリッジ構造５００が
形成される。既に述べたように、典型的な実施形態では、ＭＯＣＶＤ法あるいは
ＭＢＥ法のどちらかにより様々な層が順次形成される。
【００４４】
その後、図７Ｃないし図７Ｅに示すように、第５及び第３クラッド層１２５、
１２０上にそれぞれ、通常はＣＶＤ法により二酸化珪素層１３０が形成され、そ
の後、第１の実施形態と同様に、ウィンドウ領域１３５が形成される。その後、
電極１４０、１４５が構造体に蒸着されるかあるいは接合される。
１２０上にそれぞれ、通常はＣＶＤ法により二酸化珪素層１３０が形成され、そ
の後、第１の実施形態と同様に、ウィンドウ領域１３５が形成される。その後、
電極１４０、１４５が構造体に蒸着されるかあるいは接合される。
【００４５】
次に、図８を参照することにより、本発明の第３の実施形態をより深く理解で
きる。第３の実施形態はモル分率がわずかに異なることによって青色光の放出を
可能にするが、その他の点では第１の実施形態と同様である。したがって、ｎ型
GaN基板１００をｎ型GaN第１クラッド層１０５とともに依然として使用する。し
かしながら、第２クラッド層８１０が一般におよそ１．５μｍ厚のｎ型Ga0.58Al 0.42 N0.983As0.017材料からなる一方、３対の量子井戸活性層８１５が一般にGa0 .73 Al0.27N0.995As0.005材料からなる４つの障壁層とGa0.78Al0.22N0.999As0.00 1 材料からなる３つの障壁層とを備えている。第３クラッド層８２０が一般にｐ
型Ga0.58Al0.42N0.983As0.017材料からなる一方、第４クラッド層１２５が、第
１の実施形態と同様に、ｐ型GaN材料である。各層の厚さは第１の実施形態の場
合とほぼ同じである。SiO2層１３０、ウィンドウ領域１３５、第１及び第２の電
極１４０、１４５が構造体を完成させる。
きる。第３の実施形態はモル分率がわずかに異なることによって青色光の放出を
可能にするが、その他の点では第１の実施形態と同様である。したがって、ｎ型
GaN基板１００をｎ型GaN第１クラッド層１０５とともに依然として使用する。し
かしながら、第２クラッド層８１０が一般におよそ１．５μｍ厚のｎ型Ga0.58Al 0.42 N0.983As0.017材料からなる一方、３対の量子井戸活性層８１５が一般にGa0 .73 Al0.27N0.995As0.005材料からなる４つの障壁層とGa0.78Al0.22N0.999As0.00 1 材料からなる３つの障壁層とを備えている。第３クラッド層８２０が一般にｐ
型Ga0.58Al0.42N0.983As0.017材料からなる一方、第４クラッド層１２５が、第
１の実施形態と同様に、ｐ型GaN材料である。各層の厚さは第１の実施形態の場
合とほぼ同じである。SiO2層１３０、ウィンドウ領域１３５、第１及び第２の電
極１４０、１４５が構造体を完成させる。
【００４６】
活性層２４から３１０ｎｍの波長領域で紫外光を放出させるため、井戸層８１
５内のAl含有率及びAs含有率がそれぞれ０．２２及び０．００１に設定されてい
る。構成層の格子定数を一致させて相分離誘因性欠陥の発生を回避するため、各
層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xy
がほぼ一定の値に等しいという条件を満たすように設定されている。第３の実施
形態を例示すれば、その一定の値はおよそ３．１７±０．０５であってもよい。
５内のAl含有率及びAs含有率がそれぞれ０．２２及び０．００１に設定されてい
る。構成層の格子定数を一致させて相分離誘因性欠陥の発生を回避するため、各
層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xy
がほぼ一定の値に等しいという条件を満たすように設定されている。第３の実施
形態を例示すれば、その一定の値はおよそ３．１７±０．０５であってもよい。
【００４７】
第１の実施形態が紫外光を放出する一方で、第３の実施形態は紫色光を放出す
るが、クラッド層のバンドギャップエネルギーは依然として３対の多重量子井戸
活性層８１５のバンドギャップエネルギーよりも高く設定されている。既に述べ
たように、これにより、活性層８１５内でのキャリアの閉じ込めと再結合が可能
になる。第１の実施形態と同様に、第２及び第３のクラッド層の屈折率は、意図
的に、活性層よりも小さく、その結果、光の場を横方向に閉じ込めている。同様
に、ウィンドウ領域１３５の下方に電流を強く注入することにより、活性層のSi
O2層１３０下方の部分に対して比較的に高い活性層内局部モード利得が発生し、
その結果、やはり、レーザ発振をもたらす導波路が得られる。
るが、クラッド層のバンドギャップエネルギーは依然として３対の多重量子井戸
活性層８１５のバンドギャップエネルギーよりも高く設定されている。既に述べ
たように、これにより、活性層８１５内でのキャリアの閉じ込めと再結合が可能
になる。第１の実施形態と同様に、第２及び第３のクラッド層の屈折率は、意図
的に、活性層よりも小さく、その結果、光の場を横方向に閉じ込めている。同様
に、ウィンドウ領域１３５の下方に電流を強く注入することにより、活性層のSi
O2層１３０下方の部分に対して比較的に高い活性層内局部モード利得が発生し、
その結果、やはり、レーザ発振をもたらす導波路が得られる。
【００４８】
図９は第３の実施形態にかかるレーザダイオードの放出光対駆動電流特性の図
を示す。レーザダイオードはデューティサイクル１％のパルス電流で駆動される
。閾値電流密度は５．７kA/cm2であることが分かる。
を示す。レーザダイオードはデューティサイクル１％のパルス電流で駆動される
。閾値電流密度は５．７kA/cm2であることが分かる。
【００４９】
図１０Ａないし図１０Ｄは、第３の実施形態の一実施例における半導体レーザ
ダイオードの一連の製造工程を示す。製造工程は図４Ａないし図４Ｄに関連して
説明したものと同じであるので、さらに説明は行わない。
ダイオードの一連の製造工程を示す。製造工程は図４Ａないし図４Ｄに関連して
説明したものと同じであるので、さらに説明は行わない。
【００５０】
次に、図１１を参照することにより、本発明の第４の実施形態をより深く理解
することができる。第４の実施形態は、第３の実施形態と同様に、紫外光を放出
するよう構成され、したがって、第３の実施形態と同じAl及びAs含有率を有して
いる。しかしながら、第４の実施形態は、第２の実施形態と同様に、導波路とし
て作用するリッジ構造を提供するよう構成されている。Al及びAs含有率が図８の
ものと同様であるので、同様の要素は図８で使用した参照番号を使って説明する
。
することができる。第４の実施形態は、第３の実施形態と同様に、紫外光を放出
するよう構成され、したがって、第３の実施形態と同じAl及びAs含有率を有して
いる。しかしながら、第４の実施形態は、第２の実施形態と同様に、導波路とし
て作用するリッジ構造を提供するよう構成されている。Al及びAs含有率が図８の
ものと同様であるので、同様の要素は図８で使用した参照番号を使って説明する
。
【００５１】
引き続き図１１を見れば、第４の実施形態の構造がGaN基板１００を有し、そ
の上に、第１クラッド層１０５が形成され、その後に第２クラッド層８１０が形
成されていることが分かる。それらの上方には、３対の多重量子井戸活性層８１
５が形成され、その後に、第３クラッド層８２０が形成されている。既に述べた
ように、第４クラッド層１２５、二酸化珪素層１３０、ウィンドウ１３５及び電
極１４０、１４５も全て形成されている。Al含有率及びAs含有率を含む材料は、
図８に示すとおりであり、すなわち、それぞれ０．２２及び０．００１である。
同様に、各層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙは、第３の実施形態と同様、3.18(1-x
)(1-y) +3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xyがおよそ３．１７の一定の値にほぼ等しい
という条件を満たすように設定されている。バンドギャップエネルギー、屈折率
、及び電流注入時のモード利得はすべて第３の実施形態に関連してほぼ記述した
とおりであり、さらに説明はしない。
の上に、第１クラッド層１０５が形成され、その後に第２クラッド層８１０が形
成されていることが分かる。それらの上方には、３対の多重量子井戸活性層８１
５が形成され、その後に、第３クラッド層８２０が形成されている。既に述べた
ように、第４クラッド層１２５、二酸化珪素層１３０、ウィンドウ１３５及び電
極１４０、１４５も全て形成されている。Al含有率及びAs含有率を含む材料は、
図８に示すとおりであり、すなわち、それぞれ０．２２及び０．００１である。
同様に、各層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙは、第３の実施形態と同様、3.18(1-x
)(1-y) +3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xyがおよそ３．１７の一定の値にほぼ等しい
という条件を満たすように設定されている。バンドギャップエネルギー、屈折率
、及び電流注入時のモード利得はすべて第３の実施形態に関連してほぼ記述した
とおりであり、さらに説明はしない。
【００５２】
図１２は第４の実施形態に従って構成されたレーザダイオードの駆動電流対放
出光を図示している。レーザダイオードは持続波電流で駆動される。閾値電流は
３３．０ｍＡであることが分かる。
出光を図示している。レーザダイオードは持続波電流で駆動される。閾値電流は
３３．０ｍＡであることが分かる。
【００５３】
図１３は、第４の実施形態にかかる半導体レーザダイオードの製造工程の概要
を示す。これらの工程は、図７Ａないし図７Ｅに関連して記述したものと基本的
に同一であり、さらに説明はしない。
を示す。これらの工程は、図７Ａないし図７Ｅに関連して記述したものと基本的
に同一であり、さらに説明はしない。
【００５４】
次に、図１４を参照することにより、Al含有率ｘ及びAs含有率ｙの選択と、Ga
AlNAs構成層の場合の両含有率の関係をより深く理解できる。特に、AlとAsの相
対含有率は、0<x<1、0<y<1、0.26x+37y<=1の関係をほぼ満足させることが必要で
ある。
AlNAs構成層の場合の両含有率の関係をより深く理解できる。特に、AlとAsの相
対含有率は、0<x<1、0<y<1、0.26x+37y<=1の関係をほぼ満足させることが必要で
ある。
【００５５】
GaAlNAs材料系の場合、GaN、AlN、GaAs及びAlAsの格子定数はそれぞれ異なる
。例えば、GaNとGaAs間、AlNとAlAs間、及びGaNとAlN間の格子不整合は、それぞ
れ２５．４％、２８．６％及び２．３％である。したがって、GaN、AlN、GaAs及
びAlAs間で等価結合距離が互いに異なっていることからGaAlNAs層の等価格子定
数が基板と同じであっても、内部歪エネルギーがGaAlNAs層内に蓄積する。図１
４は、様々な成長温度に対してグラフ化された相分離領域の境界を示す。図１４
の線は様々な温度に関して組成的に不安定な（相分離）領域と安定した領域との
間の境界を示している。相分離が発生する場合には、GaAlNAs層内のGa原子、Al
原子、N原子及びAs原子が各構成層内の原子含有率に従って均一に分布されない
。別の言い方をすれば、相分離された層のバンドギャップエネルギー分布もその
層内で不均一になる。相分離された層内の相対的に小さなバンドギャップ領域は
、光吸収中心として作用するか、あるいは導波光の散乱を発生させる。このこと
は、高効率の発光素子を得るためには相分離現象を回避する必要があることを意
味する。
。例えば、GaNとGaAs間、AlNとAlAs間、及びGaNとAlN間の格子不整合は、それぞ
れ２５．４％、２８．６％及び２．３％である。したがって、GaN、AlN、GaAs及
びAlAs間で等価結合距離が互いに異なっていることからGaAlNAs層の等価格子定
数が基板と同じであっても、内部歪エネルギーがGaAlNAs層内に蓄積する。図１
４は、様々な成長温度に対してグラフ化された相分離領域の境界を示す。図１４
の線は様々な温度に関して組成的に不安定な（相分離）領域と安定した領域との
間の境界を示している。相分離が発生する場合には、GaAlNAs層内のGa原子、Al
原子、N原子及びAs原子が各構成層内の原子含有率に従って均一に分布されない
。別の言い方をすれば、相分離された層のバンドギャップエネルギー分布もその
層内で不均一になる。相分離された層内の相対的に小さなバンドギャップ領域は
、光吸収中心として作用するか、あるいは導波光の散乱を発生させる。このこと
は、高効率の発光素子を得るためには相分離現象を回避する必要があることを意
味する。
【００５６】
さらに図１４によれば、相分離領域が温度とともに変化することが分かる。図
１４の線は様々な温度に関して組成的に不安定な領域、すなわち、相分離となる
領域と安定した領域との間の境界を示している。GaAs-GaN線と、AlAs-AlN線と境
界線とで囲まれた領域は相分離含有率領域を示す。３元合金AlNAs及びGaNAsは、
AlNとAlAsとの間及びGaNとGaAsとの間の格子不整合が大きいために相分離領域が
大きいことが分かった。他方、３元合金GaAlN及びGaAlAsは、約１０００℃の結
晶成長温度では、AlNとGaNとの間及びAlAsとGaAsとの間の格子不整合が小さいた
めに相分離領域がないことが分かった。
１４の線は様々な温度に関して組成的に不安定な領域、すなわち、相分離となる
領域と安定した領域との間の境界を示している。GaAs-GaN線と、AlAs-AlN線と境
界線とで囲まれた領域は相分離含有率領域を示す。３元合金AlNAs及びGaNAsは、
AlNとAlAsとの間及びGaNとGaAsとの間の格子不整合が大きいために相分離領域が
大きいことが分かった。他方、３元合金GaAlN及びGaAlAsは、約１０００℃の結
晶成長温度では、AlNとGaNとの間及びAlAsとGaAsとの間の格子不整合が小さいた
めに相分離領域がないことが分かった。
【００５７】
したがって、通常結晶成長温度が約６００℃ないし約１０００℃の概算範囲内
にあるGaAlNAs材料系を提供できることが分かった。同様に、GaAlNAsのAl含有率
及びAs含有率の相分離がおよそ６００℃とおよそ１０００℃の間の処理温度では
大量には発生しないことが分かった。最後に、これら２つの点を結びつけること
により、約１０００℃より低い結晶成長温度で相分離を回避するためのGaAlNAs
のAl含有率及びAs含有率の含有率選択領域は、図１５の斜線領域であり、２つの
領域を分離する線が0.26 x+ 37y=1の関係によって近似的に定義されることがわ
かる。
にあるGaAlNAs材料系を提供できることが分かった。同様に、GaAlNAsのAl含有率
及びAs含有率の相分離がおよそ６００℃とおよそ１０００℃の間の処理温度では
大量には発生しないことが分かった。最後に、これら２つの点を結びつけること
により、約１０００℃より低い結晶成長温度で相分離を回避するためのGaAlNAs
のAl含有率及びAs含有率の含有率選択領域は、図１５の斜線領域であり、２つの
領域を分離する線が0.26 x+ 37y=1の関係によって近似的に定義されることがわ
かる。
【００５８】
したがって、これまでに開示した４つの各構造的実施形態の場合、レーザダイ
オードの全構成層のGa含有率ｘ及びAs含有率ｙが0<x<1、0<y<1、0.26 x+ 37y<=1
の関係をほぼ満たすとき、およそ６００℃と約１０００℃との間の結晶成長温度
で動作することによって、GaAlNAs材料系内で相分離現象を回避することができ
る。その結果、原子モル分率に従って各構成層内にGa原子、Al原子、N原子及びA
s原子がほぼ均一に分布する。
オードの全構成層のGa含有率ｘ及びAs含有率ｙが0<x<1、0<y<1、0.26 x+ 37y<=1
の関係をほぼ満たすとき、およそ６００℃と約１０００℃との間の結晶成長温度
で動作することによって、GaAlNAs材料系内で相分離現象を回避することができ
る。その結果、原子モル分率に従って各構成層内にGa原子、Al原子、N原子及びA
s原子がほぼ均一に分布する。
【００５９】
図１６は、約１０００℃より低い成長温度で相分離現象を回避するとともにGa
Nにとって適切な格子整合を依然として確保するためのGaAlNAs系のAl含有率ｘ及
びAs含有率ｙの含有率選択線を示す。図１６の線は3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+
3.11x(1-y) +4xy=3.18の例示的な線を示す。したがって、GaN基板上に形成され
たレーザダイオードのGaAlNAs構成層のAl含有率及びAs含有率が、3.18(1-x)(1-y
)+3.99(1-x)y +3.11x(1-y)+4xyがほぼ３．１８に等しく、0<x<1、0<y<1及び0.2
6x+37y<=1である関係を確実に有していることによって、欠陥密度が低く、相分
離が全くないか非常に少ないレーザダイオードをGaN基板上に得ることができる
。
Nにとって適切な格子整合を依然として確保するためのGaAlNAs系のAl含有率ｘ及
びAs含有率ｙの含有率選択線を示す。図１６の線は3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+
3.11x(1-y) +4xy=3.18の例示的な線を示す。したがって、GaN基板上に形成され
たレーザダイオードのGaAlNAs構成層のAl含有率及びAs含有率が、3.18(1-x)(1-y
)+3.99(1-x)y +3.11x(1-y)+4xyがほぼ３．１８に等しく、0<x<1、0<y<1及び0.2
6x+37y<=1である関係を確実に有していることによって、欠陥密度が低く、相分
離が全くないか非常に少ないレーザダイオードをGaN基板上に得ることができる
。
【００６０】
さらに、上述した材料系によって他の半導体構造を製造することも可能である
。III族窒化物材料、特にGaNとAlNは高出力高温条件下で動作可能な電子デバイ
ス、例えばマイクロ波パワートランジスタでの使用に有望である。これは、その
バンドギャップの広さ（GaNの場合３．５ｅＶ、AlNの場合６．２ｅＶ）、降伏電
界の高さ、飽和速度の高さにある程度起因している。比較すると、AlAs、GaAs、
Siのバンドギャップは、それぞれ、２．１６ｅＶ、１．４２ｅＶ、１．１２ｅＶ
である。このことは、そのような電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）用にAlGaN/Ga
N材料を使用することの有意義な研究に繋がっている。しかしながら、既に述べ
たように、AlGaNとGaNの格子定数の違いから重大な欠陥が発生し、そのことが、
結果得られる構造体内の電子の移動度とそのような材料系のＦＥＴ用途での実用
性に限界を与えている。
。III族窒化物材料、特にGaNとAlNは高出力高温条件下で動作可能な電子デバイ
ス、例えばマイクロ波パワートランジスタでの使用に有望である。これは、その
バンドギャップの広さ（GaNの場合３．５ｅＶ、AlNの場合６．２ｅＶ）、降伏電
界の高さ、飽和速度の高さにある程度起因している。比較すると、AlAs、GaAs、
Siのバンドギャップは、それぞれ、２．１６ｅＶ、１．４２ｅＶ、１．１２ｅＶ
である。このことは、そのような電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）用にAlGaN/Ga
N材料を使用することの有意義な研究に繋がっている。しかしながら、既に述べ
たように、AlGaNとGaNの格子定数の違いから重大な欠陥が発生し、そのことが、
結果得られる構造体内の電子の移動度とそのような材料系のＦＥＴ用途での実用
性に限界を与えている。
【００６１】
本発明は、本発明のGaAlNAs/GaN材料がGaNと等しい格子定数を有するという点
で上記の限界をほぼ克服する。既に述べたように、Al含有率（ｘ）及びAs含有率
（ｙ）が0<x<1、0<y<1、0.26x+37Y<=1、及び3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x(
1-y)+4xyが３．１８に等しいという関係を満たすとき、Ga1-xAlxN1-yAsyの４元
材料系は３．５ｅＶより大きいバンドギャップを持つだけでなく、GaNとほぼ等
しい格子定数を有する。これにより、様々な層内でほぼ均一な原子含有率分布を
有するＦＥＴ等の半導体構造が製造可能になる。したがって、Alモル分率ｘ及び
Asモル分率ｙが上記の関係を満たす本発明にかかるGaAlNAs/GaN材料系を使用す
ることにより、欠陥密度の低い高出力高温トランジスタを実現することができる
。
で上記の限界をほぼ克服する。既に述べたように、Al含有率（ｘ）及びAs含有率
（ｙ）が0<x<1、0<y<1、0.26x+37Y<=1、及び3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x(
1-y)+4xyが３．１８に等しいという関係を満たすとき、Ga1-xAlxN1-yAsyの４元
材料系は３．５ｅＶより大きいバンドギャップを持つだけでなく、GaNとほぼ等
しい格子定数を有する。これにより、様々な層内でほぼ均一な原子含有率分布を
有するＦＥＴ等の半導体構造が製造可能になる。したがって、Alモル分率ｘ及び
Asモル分率ｙが上記の関係を満たす本発明にかかるGaAlNAs/GaN材料系を使用す
ることにより、欠陥密度の低い高出力高温トランジスタを実現することができる
。
【００６２】
図１７Ａに、本発明にかかるGaAlNAs/GaN材料を用いたヘテロ接合電界効果ト
ランジスタ（ＨＦＥＴ）の典型的な実施形態を示す。GaN基板５２０上には、０
．５μｍ厚のi-GaN層５２５が形成され、その次に、薄い約１０ｎｍ厚のGaN導電
用チャンネル層５３０と１０ｎｍ厚のGaAlNAs層５３５が形成されている。ソー
ス電極及びドレイン電極５４０Ａ、５４０Ｂとゲート電極５４５が従来の方法で
形成されている。この構造において、GaAlNAs層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙは
それぞれ０．２５及び０．０２１に設定されている。この場合、ｘとｙの値は0<
x<1、0<y<1、0.26x+37Y<=1、及び3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xy=3
.18の関係を満たしている。これにより、実質的に相分離がなくGaNと等しい格子
定数を有するGaAlNAs層が得られる。ひいては、GaAlNAs層とGaN層のヘテロ界面
に形成された２次元電子ガスが（欠陥が存在する場合に発生するような）GaAlNA
s層の原子含有率の揺らぎによって散乱されることがないために、高い電子速度
を達成することができる。さらに、GaAlNAsのバンドギャップは４ｅＶより大き
いので、図１７Ａに示す構造を使用することにより信頼性のある高温動作を実現
することができる。
ランジスタ（ＨＦＥＴ）の典型的な実施形態を示す。GaN基板５２０上には、０
．５μｍ厚のi-GaN層５２５が形成され、その次に、薄い約１０ｎｍ厚のGaN導電
用チャンネル層５３０と１０ｎｍ厚のGaAlNAs層５３５が形成されている。ソー
ス電極及びドレイン電極５４０Ａ、５４０Ｂとゲート電極５４５が従来の方法で
形成されている。この構造において、GaAlNAs層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙは
それぞれ０．２５及び０．０２１に設定されている。この場合、ｘとｙの値は0<
x<1、0<y<1、0.26x+37Y<=1、及び3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xy=3
.18の関係を満たしている。これにより、実質的に相分離がなくGaNと等しい格子
定数を有するGaAlNAs層が得られる。ひいては、GaAlNAs層とGaN層のヘテロ界面
に形成された２次元電子ガスが（欠陥が存在する場合に発生するような）GaAlNA
s層の原子含有率の揺らぎによって散乱されることがないために、高い電子速度
を達成することができる。さらに、GaAlNAsのバンドギャップは４ｅＶより大き
いので、図１７Ａに示す構造を使用することにより信頼性のある高温動作を実現
することができる。
【００６３】
同様に、図１７Ｂは本発明にかかるヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢ
Ｔ）の実施形態を示す。GaN基板５５０上には、４００ｎｍ厚のｎ型GaAlNAsコレ
クタ層５５５が形成され、その次に、５０ｎｍ厚のｐ型GaNベース層５６０と３
００ｎｍ厚のｎ型GaAlNAsエミッタ層５６５が形成されている。ベース電極５７
０、コレクタ電極５７５及びエミッタ電極５８０が従来の方法で形成されている
。図１７Ａと同様に、図１７Ｂの実施形態では、GaAlNAs層のAl含有率ｘ及びAs
含有率ｙはそれぞれ０．２５及び０．０２１に設定されており、ｘとｙは上記と
同じ関係を満たす必要がある。図１７Ａと同様に、大きな相分離がなくGaNと等
しい格子定数を有するGaAlNAs層が実現され、その結果、非常に高品質のGaAlNAs
/GaNヘテロ接合が得られる。さらに、GaAlNAsエミッタ層のバンドギャップ（４
ｅＶ）はGaNベース層のバンドギャップ（３．５ｅＶ）より大きいので、ｐ型ベ
ース層に発生した正孔がこのベース層内にうまく閉じ込められる。これは、GaN
ホモ接合バイポーラトランジスタにおいて発生するよりも大きな価電子帯不連続
がGaNとGaAlNAsとの間に発生することに起因する。このことは、ベース電流に比
べて電流増幅が大きいコレクタ電流が得られるという利点をもたらす。さらに、
上述したように、GaAlNAsとGaN層のバンドギャップは大きいので、トランジスタ
を高温での用途に信頼性を持って利用することができる。
Ｔ）の実施形態を示す。GaN基板５５０上には、４００ｎｍ厚のｎ型GaAlNAsコレ
クタ層５５５が形成され、その次に、５０ｎｍ厚のｐ型GaNベース層５６０と３
００ｎｍ厚のｎ型GaAlNAsエミッタ層５６５が形成されている。ベース電極５７
０、コレクタ電極５７５及びエミッタ電極５８０が従来の方法で形成されている
。図１７Ａと同様に、図１７Ｂの実施形態では、GaAlNAs層のAl含有率ｘ及びAs
含有率ｙはそれぞれ０．２５及び０．０２１に設定されており、ｘとｙは上記と
同じ関係を満たす必要がある。図１７Ａと同様に、大きな相分離がなくGaNと等
しい格子定数を有するGaAlNAs層が実現され、その結果、非常に高品質のGaAlNAs
/GaNヘテロ接合が得られる。さらに、GaAlNAsエミッタ層のバンドギャップ（４
ｅＶ）はGaNベース層のバンドギャップ（３．５ｅＶ）より大きいので、ｐ型ベ
ース層に発生した正孔がこのベース層内にうまく閉じ込められる。これは、GaN
ホモ接合バイポーラトランジスタにおいて発生するよりも大きな価電子帯不連続
がGaNとGaAlNAsとの間に発生することに起因する。このことは、ベース電流に比
べて電流増幅が大きいコレクタ電流が得られるという利点をもたらす。さらに、
上述したように、GaAlNAsとGaN層のバンドギャップは大きいので、トランジスタ
を高温での用途に信頼性を持って利用することができる。
【００６４】
次に、図１８に、本発明のフォトトランジスタとしての実施例を示す。この点
に関して、GaNとAlNは広いバンドギャップ（GaNの場合、２００ｎｍの光の波長
に相当する３．５ｅＶ、AlNの場合、３５０ｎｍの光の波長に相当する６．２ｅ
Ｖ）を有するので、GaNとAlGaNは紫外線（ＵＶ）領域の光検出器にとって魅力的
な材料である。直接バンドギャップとAlN合金の組成範囲全体の中でのAlGaNの可
用性のために、AlGaN/GaNによるＵＶ光検出器は、高遮断波長が調整可能である
とともに、量子効率が高いという利点をもたらす。しかしながら、AlGaNの格子
定数は欠陥が形成されやすいほどGaNと異なっており、漏れ電流を増加させるこ
とになる。Al含有率（ｘ）及びAs含有率（ｙ）が0<x<1、0<y<1及び0.26x+37y<=1
の関係を満たすGa1-xAlxN1-yAsyは、２．８ｅＶより大きいバンドギャップを提
供するだけでなく、各層内に同じ原子含有率分布で形成することができるので、
GaAlNAs材料をＵＶ光検出器用途に利用することも可能である。さらに、Al含有
率ｘ及びAs含有率ｙが3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+ 3.11x(1-y)+4xy=3.18の関係
を満たすGa1-xAlxN1-yAsyの４元材料は、GaNと等しい格子定数と３．５ｅＶより
大きいバンドギャップを有する。したがって、Al含有率ｘ及びAs含有率ｙが上記
の関係を満たすGaAlNAs/GaN材料を使用することにより、欠陥密度の低いＵＶ光
検出器を実現することができる。他の周波数、例えば青色光の検出が必要な場合
には、わずかな変更しか必要としない。
に関して、GaNとAlNは広いバンドギャップ（GaNの場合、２００ｎｍの光の波長
に相当する３．５ｅＶ、AlNの場合、３５０ｎｍの光の波長に相当する６．２ｅ
Ｖ）を有するので、GaNとAlGaNは紫外線（ＵＶ）領域の光検出器にとって魅力的
な材料である。直接バンドギャップとAlN合金の組成範囲全体の中でのAlGaNの可
用性のために、AlGaN/GaNによるＵＶ光検出器は、高遮断波長が調整可能である
とともに、量子効率が高いという利点をもたらす。しかしながら、AlGaNの格子
定数は欠陥が形成されやすいほどGaNと異なっており、漏れ電流を増加させるこ
とになる。Al含有率（ｘ）及びAs含有率（ｙ）が0<x<1、0<y<1及び0.26x+37y<=1
の関係を満たすGa1-xAlxN1-yAsyは、２．８ｅＶより大きいバンドギャップを提
供するだけでなく、各層内に同じ原子含有率分布で形成することができるので、
GaAlNAs材料をＵＶ光検出器用途に利用することも可能である。さらに、Al含有
率ｘ及びAs含有率ｙが3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+ 3.11x(1-y)+4xy=3.18の関係
を満たすGa1-xAlxN1-yAsyの４元材料は、GaNと等しい格子定数と３．５ｅＶより
大きいバンドギャップを有する。したがって、Al含有率ｘ及びAs含有率ｙが上記
の関係を満たすGaAlNAs/GaN材料を使用することにより、欠陥密度の低いＵＶ光
検出器を実現することができる。他の周波数、例えば青色光の検出が必要な場合
には、わずかな変更しか必要としない。
【００６５】
図１８に示すように、本発明の半導体装置は、GaAlNAs/GaN材料を使用してヘ
テロ接合フォトトランジスタ（ＨＰＴ）の形で実施可能である。GaN基板７００
上には、ｎ型GaAlNAsコレクタ層７０５がおよそ５００ｎｍ厚に形成され、その
次に、２００ｎｍ厚のｐ型GaNベース層７１０が形成されている。その後、およ
そ５００ｎｍ厚のGaAlNAsエミッタ層７１５が形成されている。エミッタ層の上
には、光がベース層に当たるようにリング状の電極７２０が形成されている。
テロ接合フォトトランジスタ（ＨＰＴ）の形で実施可能である。GaN基板７００
上には、ｎ型GaAlNAsコレクタ層７０５がおよそ５００ｎｍ厚に形成され、その
次に、２００ｎｍ厚のｐ型GaNベース層７１０が形成されている。その後、およ
そ５００ｎｍ厚のGaAlNAsエミッタ層７１５が形成されている。エミッタ層の上
には、光がベース層に当たるようにリング状の電極７２０が形成されている。
【００６６】
典型的な構造では、GaAlNAs層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙはそれぞれ０．２
５及び０．０２１に設定される。この場合、ｘとｙの値は0<x<1、0<y<1、0.26x+
37Y<=1、3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xy=3.18の関係を満たすので
、GaAlNAs層をGaNと等しい格子定数を持ちながら相分離をほぼ回避するように形
成して、高品質のGaAlNAs/GaNヘテロ接合を形成することが可能になる。GaAlNAs
エミッタ層のバンドギャップ（３０７ｎｍの光の波長に相当する４ｅＶ）はGaN
ベース層のバンドギャップ（３５０ｎｍの光の波長に相当する３．５ｅＶ）より
も大きい。光はエミッタ側に照射される。図示の実施形態の場合、３０７ｎｍと
３５０ｎｍの間の波長範囲の照射光はエミッタ層を透過するので、GaNベース層
に吸収されて電子と正孔の対を発生させる。GaNとGaAlNAsとの間の価電子帯の不
連続が従来のGaNホモ接合フォトトランジスタの場合よりも大きいので、ｐ型ベ
ース層の光吸収によって生成された正孔はベース層にうまく閉じ込められる。こ
れにより、より大きなエミッタ電流が誘導されることになり、ホモ接合フォトト
ランジスタの場合よりも優れた電子中和がベース領域にもたらされる。したがっ
て、高量子効率かつ高感度、及びその結果として入射光からコレクタ電流への高
変換効率を有するＵＶ光検出器が得られる。他の周波数を検出する場合には、Ga
Nベース層は、例えば青色光の場合、InGaNに置き換えられる。
５及び０．０２１に設定される。この場合、ｘとｙの値は0<x<1、0<y<1、0.26x+
37Y<=1、3.18(1-x)(1-y)+3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xy=3.18の関係を満たすので
、GaAlNAs層をGaNと等しい格子定数を持ちながら相分離をほぼ回避するように形
成して、高品質のGaAlNAs/GaNヘテロ接合を形成することが可能になる。GaAlNAs
エミッタ層のバンドギャップ（３０７ｎｍの光の波長に相当する４ｅＶ）はGaN
ベース層のバンドギャップ（３５０ｎｍの光の波長に相当する３．５ｅＶ）より
も大きい。光はエミッタ側に照射される。図示の実施形態の場合、３０７ｎｍと
３５０ｎｍの間の波長範囲の照射光はエミッタ層を透過するので、GaNベース層
に吸収されて電子と正孔の対を発生させる。GaNとGaAlNAsとの間の価電子帯の不
連続が従来のGaNホモ接合フォトトランジスタの場合よりも大きいので、ｐ型ベ
ース層の光吸収によって生成された正孔はベース層にうまく閉じ込められる。こ
れにより、より大きなエミッタ電流が誘導されることになり、ホモ接合フォトト
ランジスタの場合よりも優れた電子中和がベース領域にもたらされる。したがっ
て、高量子効率かつ高感度、及びその結果として入射光からコレクタ電流への高
変換効率を有するＵＶ光検出器が得られる。他の周波数を検出する場合には、Ga
Nベース層は、例えば青色光の場合、InGaNに置き換えられる。
【００６７】
図１８のフォトトランジスタに加えて、本発明に従ってフォトダイオードを実
現することも可能である。図１９では、ｎ型基板９００が設けられており、その
上にGa1-xAlxN1-yAsy４元材料または等価物からなるｎ型層９１０が形成され、
この層は図１８に関連して上述した関係に従っている。その後、活性層９１５が
形成され、その上方には、ｐ型Ga1-xAlxN1-yAsy４元材料からなる層９２０が形
成されている。そして、この層９２０の上方に、ｐ型第２クラッド層９２５が形
成され、そこには、層９２０の一部を露出させるようにウィンドウ９３０が形成
されている。ウィンドウ９３０は光を層９２０に当てることができる入口となっ
て正孔を発生させる。従来の方法で一対の電極９３５、９４０が形成されてもよ
く、その場合、電極９３５は、通常、ウィンドウ９３０周りのリング状の電極で
ある。第２クラッド層９２５のバンドギャップは層９２０のバンドギャップより
も大きいことが好ましく、さらに、層９２０のバンドギャップは活性層９１５の
バンドギャップよりも大きいことが好ましいことが理解できる。そのような手法
によれば、最大限広い範囲の光の波長に対して感度がよくなる。より狭い波長範
囲が望ましい場合には、層９２０よりも小さなバンドギャップを有する材料を層
９２５に対して使用してもよい。さらに、層９１０、９１５、９２０は、少なく
ともいくつかの場合には、適正な光電性ｐｎ接合を提供するので、全ての実施形
態に層９２５を含ませる必要はない。
現することも可能である。図１９では、ｎ型基板９００が設けられており、その
上にGa1-xAlxN1-yAsy４元材料または等価物からなるｎ型層９１０が形成され、
この層は図１８に関連して上述した関係に従っている。その後、活性層９１５が
形成され、その上方には、ｐ型Ga1-xAlxN1-yAsy４元材料からなる層９２０が形
成されている。そして、この層９２０の上方に、ｐ型第２クラッド層９２５が形
成され、そこには、層９２０の一部を露出させるようにウィンドウ９３０が形成
されている。ウィンドウ９３０は光を層９２０に当てることができる入口となっ
て正孔を発生させる。従来の方法で一対の電極９３５、９４０が形成されてもよ
く、その場合、電極９３５は、通常、ウィンドウ９３０周りのリング状の電極で
ある。第２クラッド層９２５のバンドギャップは層９２０のバンドギャップより
も大きいことが好ましく、さらに、層９２０のバンドギャップは活性層９１５の
バンドギャップよりも大きいことが好ましいことが理解できる。そのような手法
によれば、最大限広い範囲の光の波長に対して感度がよくなる。より狭い波長範
囲が望ましい場合には、層９２０よりも小さなバンドギャップを有する材料を層
９２５に対して使用してもよい。さらに、層９１０、９１５、９２０は、少なく
ともいくつかの場合には、適正な光電性ｐｎ接合を提供するので、全ての実施形
態に層９２５を含ませる必要はない。
【００６８】
図２０には、本発明の第５の実施形態にかかる半導体構造が断面図で示されて
いる。本発明は複数の素子タイプに適用されるが、例示のため、図面の多くにお
いて示す半導体構造はレーザダイオードとする。特に図２０に示すように、ｎ型
GaN基板２００が設けられており、その上に、ｎ型GaN第１クラッド層２０５（通
常０．５μｍ厚）が形成されている。その後、通常およそ１．５μｍ厚のｎ型In 0.033 Ga0.967N0.99Al0.01材料からなる第２クラッド層２１０が形成され、その
次に、多重量子井戸活性層２１５が形成され、この多重量子井戸活性層２１５は
、典型的な構成では、およそ３５オングストローム厚のIn0.001Ga0.999N0.976Al 0.024 材料からなる３つの量子井戸層と、およそ３５オングストローム厚のIn0.0 22 Ga0.978N0.985Al0.015材料からなる４つの障壁層を３対の構成で備えている。
次に、ｐ型In0.033Ga0.967N0.99Al0.01材料からなる第３クラッド層２２０（通
常およそ１．５μｍ厚）が形成され、その次に、ｐ型GaN第５クラッド層２２５
（およそ０．５μｍ厚）が形成されている。ｐ型GaN第４クラッド層２２５の上
に、ストライプ状ウィンドウ領域２３５（３．０μｍ幅）を１つ有するSiO2層２
３０が形成されている。ｎ型GaN基板２００の上には第１の電極２４０が形成さ
れており、SiO2層２３０及びウィンドウ領域２３５の上には第２の電極２４５が
形成されている。
いる。本発明は複数の素子タイプに適用されるが、例示のため、図面の多くにお
いて示す半導体構造はレーザダイオードとする。特に図２０に示すように、ｎ型
GaN基板２００が設けられており、その上に、ｎ型GaN第１クラッド層２０５（通
常０．５μｍ厚）が形成されている。その後、通常およそ１．５μｍ厚のｎ型In 0.033 Ga0.967N0.99Al0.01材料からなる第２クラッド層２１０が形成され、その
次に、多重量子井戸活性層２１５が形成され、この多重量子井戸活性層２１５は
、典型的な構成では、およそ３５オングストローム厚のIn0.001Ga0.999N0.976Al 0.024 材料からなる３つの量子井戸層と、およそ３５オングストローム厚のIn0.0 22 Ga0.978N0.985Al0.015材料からなる４つの障壁層を３対の構成で備えている。
次に、ｐ型In0.033Ga0.967N0.99Al0.01材料からなる第３クラッド層２２０（通
常およそ１．５μｍ厚）が形成され、その次に、ｐ型GaN第５クラッド層２２５
（およそ０．５μｍ厚）が形成されている。ｐ型GaN第４クラッド層２２５の上
に、ストライプ状ウィンドウ領域２３５（３．０μｍ幅）を１つ有するSiO2層２
３０が形成されている。ｎ型GaN基板２００の上には第１の電極２４０が形成さ
れており、SiO2層２３０及びウィンドウ領域２３５の上には第２の電極２４５が
形成されている。
【００６９】
活性層２１５から４２０ｎｍの波長領域を有する青色光を放出させるために、
全ての層のGa含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.54(1-x)(1-y)+4.28(1-x)y+3.18x(1-
y)+4xyがほぼ一定の値に等しく、少なくとも第５の実施形態の場合はおよそ３．
１８であるという条件を一様に満たしている。相分離に起因する欠陥を回避する
ため、様々な構成層のそれぞれにおいてGa含有率ｘ及びAs含有率ｙを3.54(1-x)(
1-y)+4.28(1-x)y+ 3.18x(1-y)+4xyが一定の値にほぼ等しい、第５の実施形態の
場合はおよそ３．１８±０．０５であるという条件を満たすように設定すること
によって、様々な構成層の格子定数を互いに一致させ、各層の等価格子定数がGa
Nの格子定数にほぼ等しくなるようにしている。
全ての層のGa含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.54(1-x)(1-y)+4.28(1-x)y+3.18x(1-
y)+4xyがほぼ一定の値に等しく、少なくとも第５の実施形態の場合はおよそ３．
１８であるという条件を一様に満たしている。相分離に起因する欠陥を回避する
ため、様々な構成層のそれぞれにおいてGa含有率ｘ及びAs含有率ｙを3.54(1-x)(
1-y)+4.28(1-x)y+ 3.18x(1-y)+4xyが一定の値にほぼ等しい、第５の実施形態の
場合はおよそ３．１８±０．０５であるという条件を満たすように設定すること
によって、様々な構成層の格子定数を互いに一致させ、各層の等価格子定数がGa
Nの格子定数にほぼ等しくなるようにしている。
【００７０】
材料を適正に選択することにより、ｎ型第２クラッド層２１０及びｐ型第３ク
ラッド層２２０のバンドギャップエネルギーが３対の多重量子井戸活性層２１５
のバンドギャップエネルギーより大きくなる。これにより、ｎ型第２クラッド層
２１０及びｐ型第３クラッド層２２０からの注入キャリアが活性層２１５内に閉
じ込められ、キャリアが再結合して青色光を放出する。さらに、ｎ型第２クラッ
ド層２１０及びｐ型第３クラッド層２２０の屈折率が多重量子井戸活性層２１５
の屈折率より小さいので、光の場が横方向に閉じ込められる。
ラッド層２２０のバンドギャップエネルギーが３対の多重量子井戸活性層２１５
のバンドギャップエネルギーより大きくなる。これにより、ｎ型第２クラッド層
２１０及びｐ型第３クラッド層２２０からの注入キャリアが活性層２１５内に閉
じ込められ、キャリアが再結合して青色光を放出する。さらに、ｎ型第２クラッ
ド層２１０及びｐ型第３クラッド層２２０の屈折率が多重量子井戸活性層２１５
の屈折率より小さいので、光の場が横方向に閉じ込められる。
【００７１】
電極２４５からの注入電流は閉じ込められてウィンドウ領域２３５を流れるの
で、ウィンドウ領域２３５下方の活性層２１５内の領域が強く活性化される。こ
れにより、ウィンドウ領域下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層下方の活性
層内の局部モード利得より高くなる。したがって、第５の実施形態の構造内に利
得導波による導波路が形成され、レーザ発振をもたらす。
で、ウィンドウ領域２３５下方の活性層２１５内の領域が強く活性化される。こ
れにより、ウィンドウ領域下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層下方の活性
層内の局部モード利得より高くなる。したがって、第５の実施形態の構造内に利
得導波による導波路が形成され、レーザ発振をもたらす。
【００７２】
図２１Ａないし図２１Ｄは、第５の実施形態にかかる典型的なレーザダイオー
ドを構成するのに必要な製造工程の概要を順に示す。図２１Ａないし図２１Ｄか
ら得られる構造は図２０に示すものと類似しているので、可能な場合には要素に
同じ参照番号を使用することとする。最初に図２１Ａに示すように、ｎ型GaN基
板２００が設けられており、その上には、ｎ型GaN第１クラッド層２０５が成長
している。第１クラッド層２０５は通常およそ０．５μｍ厚である。その後、通
常およそ１．５μｍ厚のｎ型In0.033Ga0.967N0.99Al0.01第２クラッド層２１０
が形成される。
ドを構成するのに必要な製造工程の概要を順に示す。図２１Ａないし図２１Ｄか
ら得られる構造は図２０に示すものと類似しているので、可能な場合には要素に
同じ参照番号を使用することとする。最初に図２１Ａに示すように、ｎ型GaN基
板２００が設けられており、その上には、ｎ型GaN第１クラッド層２０５が成長
している。第１クラッド層２０５は通常およそ０．５μｍ厚である。その後、通
常およそ１．５μｍ厚のｎ型In0.033Ga0.967N0.99Al0.01第２クラッド層２１０
が形成される。
【００７３】
次に、およそ３５オングストローム厚のIn0.022Ga0.978N0.985Al0.015材料か
らなる４つの障壁層と、それぞれおよそ３５オングストローム厚の３層のIn0.00 1 Ga0.999N0.976Al0.024材料からなる３つの量子井戸を形成することにより、多
重量子井戸活性層２１５が形成される。その後、およそ１．５μｍ厚のｐ型In0. 033 Ga0.967N0.99Al0.01材料からなる第３クラッド層２２０が形成された後、お
よそ０．５μｍ厚のｐ型GaNからなる第４クラッド層２２５が形成される。通常
、各層は有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法あるいは分子線エピタキシ（ＭＢＥ
）法のどちらかによって形成される。
らなる４つの障壁層と、それぞれおよそ３５オングストローム厚の３層のIn0.00 1 Ga0.999N0.976Al0.024材料からなる３つの量子井戸を形成することにより、多
重量子井戸活性層２１５が形成される。その後、およそ１．５μｍ厚のｐ型In0. 033 Ga0.967N0.99Al0.01材料からなる第３クラッド層２２０が形成された後、お
よそ０．５μｍ厚のｐ型GaNからなる第４クラッド層２２５が形成される。通常
、各層は有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法あるいは分子線エピタキシ（ＭＢＥ
）法のどちらかによって形成される。
【００７４】
その後、図２１Ｂに示すように、ｐ型GaN第４クラッド層２２５上に、例えば
化学蒸着（ＣＶＤ）法によって二酸化珪素(SiO2)層２３０が形成される。フォト
リソグラフィとエッチングまたは他の適切な方法とを用いて、図２１Ｃに示すよ
うに、ウィンドウ領域２３５が形成される。ウィンドウ領域２３５は、少なくと
も一部の実施形態ではストライプ状であってもよい。最後に、図２１Ｄに示すよ
うに、蒸着あるいは他の適切な方法により、ｎ型GaN基板２００とSiO2層２３０
上にそれぞれ第１の電極２４０と第２の電極２４５が形成される。
化学蒸着（ＣＶＤ）法によって二酸化珪素(SiO2)層２３０が形成される。フォト
リソグラフィとエッチングまたは他の適切な方法とを用いて、図２１Ｃに示すよ
うに、ウィンドウ領域２３５が形成される。ウィンドウ領域２３５は、少なくと
も一部の実施形態ではストライプ状であってもよい。最後に、図２１Ｄに示すよ
うに、蒸着あるいは他の適切な方法により、ｎ型GaN基板２００とSiO2層２３０
上にそれぞれ第１の電極２４０と第２の電極２４５が形成される。
【００７５】
次に、図２２を参照することにより、本発明にかかる半導体構造の第６の実施
形態をより深く理解することができる。第５の実施形態と同様に、第６の実施形
態の典型的な適用例はレーザダイオードの作成である。第６の実施形態の構造に
より、実屈折率導波を有する導波路機構を構造内に組み込むことができる。これ
により、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される。
形態をより深く理解することができる。第５の実施形態と同様に、第６の実施形
態の典型的な適用例はレーザダイオードの作成である。第６の実施形態の構造に
より、実屈折率導波を有する導波路機構を構造内に組み込むことができる。これ
により、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される。
【００７６】
引き続き図２２に基づいて、参照を容易にするため、同じ要素を同じ参照番号
で示す。ｎ型GaN基板２００に、およそ０．５μｍ厚のｎ型GaNから第１クラッド
層２０５が形成されている。続いて、およそ１．５μｍ厚のIn0.033Ga0.967N0.9 9 Al0.01材料からｎ型第２クラッド層２１０が形成されている。その後、およそ
３５オングストローム厚のIn0.022Ga0.978N0.985Al0.015材料からなる４つの障
壁層とおよそ３５オングストローム厚のIn0.001Ga0.999N0.976Al0.024材料から
なる３つの井戸層を備えた多重量子井戸活性層２１５が形成されている。次に、
およそ１．５μｍ厚のIn0.033Ga0.967N0.99Al0.01材料からなる第３のｐ型クラ
ッド層２２０が形成されている。その後、第３クラッド層２２０のリッジ構造１
５００全体に、およそ０．５μｍ厚のｐ型GaN第４クラッド層２２５が形成され
ている。そして、第３及び第４クラッド層が部分的に除去されてリッジ構造１５
００が形成されている。その後、第３クラッド層２２０の残存する露出部分と第
４クラッド層２２５を覆うように二酸化珪素(SiO2)層２３０が形成されている。
第４及び第３クラッド層２２５、２２０の上方には、それぞれSiO2層を介して、
およそ２．０μｍ幅のストライプ状であるウィンドウ領域２３５が形成されてい
る。第５の実施形態と同様に、ｎ型GaN基板２００上には第１の電極２４０が形
成され、SiO2層２３０及びウィンドウ領域２３５の上には第２の電極２４５が形
成されている。
で示す。ｎ型GaN基板２００に、およそ０．５μｍ厚のｎ型GaNから第１クラッド
層２０５が形成されている。続いて、およそ１．５μｍ厚のIn0.033Ga0.967N0.9 9 Al0.01材料からｎ型第２クラッド層２１０が形成されている。その後、およそ
３５オングストローム厚のIn0.022Ga0.978N0.985Al0.015材料からなる４つの障
壁層とおよそ３５オングストローム厚のIn0.001Ga0.999N0.976Al0.024材料から
なる３つの井戸層を備えた多重量子井戸活性層２１５が形成されている。次に、
およそ１．５μｍ厚のIn0.033Ga0.967N0.99Al0.01材料からなる第３のｐ型クラ
ッド層２２０が形成されている。その後、第３クラッド層２２０のリッジ構造１
５００全体に、およそ０．５μｍ厚のｐ型GaN第４クラッド層２２５が形成され
ている。そして、第３及び第４クラッド層が部分的に除去されてリッジ構造１５
００が形成されている。その後、第３クラッド層２２０の残存する露出部分と第
４クラッド層２２５を覆うように二酸化珪素(SiO2)層２３０が形成されている。
第４及び第３クラッド層２２５、２２０の上方には、それぞれSiO2層を介して、
およそ２．０μｍ幅のストライプ状であるウィンドウ領域２３５が形成されてい
る。第５の実施形態と同様に、ｎ型GaN基板２００上には第１の電極２４０が形
成され、SiO2層２３０及びウィンドウ領域２３５の上には第２の電極２４５が形
成されている。
【００７７】
第５の実施形態と同様に、活性層２１５から４２０ｎｍ領域の波長を有する青
色光を放出させるために、井戸層内のGa含有率ｘ及びAs含有率ｙがそれぞれ０．
９９９、０．０２４に設定されている。同様に、各構成層の格子定数を一致させ
て相分離に起因する欠陥を回避するため、全ての層のGa含有率ｘ及びAs含有率ｙ
が、3.54(1-x)(1-y) +4.28(1-x)y+3.18x(1-y)+4xyがほぼ一定の値に等しい、例
えば、３．１８±０．０５であるという条件を満たしている。同様に、クラッド
層のバンドギャップエネルギーが活性層のバンドギャップエネルギーより大きい
値に維持され、青色光の放出が可能になっている。また、材料の屈折率は第５の
実施形態に関連して述べたとおりであり、光の場を横方向に閉じ込められるよう
になっている。
色光を放出させるために、井戸層内のGa含有率ｘ及びAs含有率ｙがそれぞれ０．
９９９、０．０２４に設定されている。同様に、各構成層の格子定数を一致させ
て相分離に起因する欠陥を回避するため、全ての層のGa含有率ｘ及びAs含有率ｙ
が、3.54(1-x)(1-y) +4.28(1-x)y+3.18x(1-y)+4xyがほぼ一定の値に等しい、例
えば、３．１８±０．０５であるという条件を満たしている。同様に、クラッド
層のバンドギャップエネルギーが活性層のバンドギャップエネルギーより大きい
値に維持され、青色光の放出が可能になっている。また、材料の屈折率は第５の
実施形態に関連して述べたとおりであり、光の場を横方向に閉じ込められるよう
になっている。
【００７８】
第５の実施形態の動作と同様に、SiO2層が注入電流を拘束するので、活性層２
１５のウィンドウ領域２３５下方の領域が強く活性化される。その結果は、やは
り、ウィンドウ領域２３５下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層２３０下方
の活性層内の局部モード利得より高くなる。これにより、リッジストライプ領域
の外側と比較して内側において横方向の実効屈折率が相対的に高くなることと相
俟って、実効屈折率ステップが得られる。これにより、実屈折率導波により形成
された組込み式の導波路を有する構造が得られる。したがって、第６の実施形態
の構造により、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供さ
れる。
１５のウィンドウ領域２３５下方の領域が強く活性化される。その結果は、やは
り、ウィンドウ領域２３５下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層２３０下方
の活性層内の局部モード利得より高くなる。これにより、リッジストライプ領域
の外側と比較して内側において横方向の実効屈折率が相対的に高くなることと相
俟って、実効屈折率ステップが得られる。これにより、実屈折率導波により形成
された組込み式の導波路を有する構造が得られる。したがって、第６の実施形態
の構造により、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供さ
れる。
【００７９】
次に、図２３Ａないし図２３Ｅに、第６の実施形態にかかる半導体レーザダイ
オードの典型的な素子の主要製造工程の概要を示す。
オードの典型的な素子の主要製造工程の概要を示す。
【００８０】
まず、図２３Ａ及び図２３Ｂに示すように、ｎ型GaN基板２００上への第１及
び第２クラッド層２０５、２１０及び３対の多重量子井戸活性層２１５の形成は
第５の実施形態と同じである。その後、第３及び第４のクラッド層２２０、２２
５が形成された後、通常はエッチングにより、一部が除去されてリッジ構造１５
００が形成される。既に述べたように、典型的な実施形態では、ＭＯＣＶＤ法あ
るいはＭＢＥ法のどちらかにより様々な層が順次形成される。
び第２クラッド層２０５、２１０及び３対の多重量子井戸活性層２１５の形成は
第５の実施形態と同じである。その後、第３及び第４のクラッド層２２０、２２
５が形成された後、通常はエッチングにより、一部が除去されてリッジ構造１５
００が形成される。既に述べたように、典型的な実施形態では、ＭＯＣＶＤ法あ
るいはＭＢＥ法のどちらかにより様々な層が順次形成される。
【００８１】
その後、図２３Ｃないし図２３Ｅに示すように、第５及び第３クラッド層２２
５、２２０上にそれぞれ、通常はＣＶＤ法により二酸化珪素層２３０が形成され
、その後、第５の実施形態と同様に、ウィンドウ領域２３５が形成される。その
後、電極２４０、２４５が構造体に蒸着されるかあるいは接合される。
５、２２０上にそれぞれ、通常はＣＶＤ法により二酸化珪素層２３０が形成され
、その後、第５の実施形態と同様に、ウィンドウ領域２３５が形成される。その
後、電極２４０、２４５が構造体に蒸着されるかあるいは接合される。
【００８２】
次に、図２４を参照することにより、Ga含有率ｘ及びAs含有率ｙの選択と、In
GaNAs構成層の場合の両含有率の関係をより深く理解できる。特に、GaとAsの相
対含有率は、0<x<1、0<y<1、x/0.2+y/0.9<=1または1.25x-8.33y>=1の関係をほぼ
満足させることが必要である。
GaNAs構成層の場合の両含有率の関係をより深く理解できる。特に、GaとAsの相
対含有率は、0<x<1、0<y<1、x/0.2+y/0.9<=1または1.25x-8.33y>=1の関係をほぼ
満足させることが必要である。
【００８３】
InGaNAs材料系の場合、GaN、InN、GaAs及びInAsの格子定数はそれぞれ異なる
。例えば、GaNとGaAs間、InNとInAs間、及びGaNとInN間の格子不整合は、それぞ
れ２５．４％、１７．３％及び１０．２％である。したがって、GaN、InN、GaAs
及びInAs間で等価結合距離が互いに異なっていることからInGaNAs層の等価格子
定数が基板と同じであっても、内部歪エネルギーがInGaNAs層内に蓄積する。図
２４は、様々な成長温度に対してグラフ化された相分離領域の境界を示す。図２
４の線は様々な温度に関して組成的に不安定な（相分離）領域と安定した領域と
の間の境界を示している。相分離が発生する場合には、InGaNAs層内のGa原子、I
n原子、N原子及びAs原子が各構成層内の原子含有率に従って均一に分布されない
。別の言い方をすれば、相分離された層のバンドギャップエネルギー分布もその
層内で不均一になる。相分離された層内の相対的に小さなバンドギャップ領域は
、光吸収中心として作用するか、あるいは導波光の散乱を発生させる。このこと
は、高効率の発光素子を得るためには相分離現象を回避する必要があることを意
味する。
。例えば、GaNとGaAs間、InNとInAs間、及びGaNとInN間の格子不整合は、それぞ
れ２５．４％、１７．３％及び１０．２％である。したがって、GaN、InN、GaAs
及びInAs間で等価結合距離が互いに異なっていることからInGaNAs層の等価格子
定数が基板と同じであっても、内部歪エネルギーがInGaNAs層内に蓄積する。図
２４は、様々な成長温度に対してグラフ化された相分離領域の境界を示す。図２
４の線は様々な温度に関して組成的に不安定な（相分離）領域と安定した領域と
の間の境界を示している。相分離が発生する場合には、InGaNAs層内のGa原子、I
n原子、N原子及びAs原子が各構成層内の原子含有率に従って均一に分布されない
。別の言い方をすれば、相分離された層のバンドギャップエネルギー分布もその
層内で不均一になる。相分離された層内の相対的に小さなバンドギャップ領域は
、光吸収中心として作用するか、あるいは導波光の散乱を発生させる。このこと
は、高効率の発光素子を得るためには相分離現象を回避する必要があることを意
味する。
【００８４】
さらに図２４によれば、相分離領域が温度とともに変化することが分かる。図
２４の線は様々な温度に関して組成的に不安定な領域、すなわち、相分離となる
領域と安定した領域との間の境界を示している。InAs-InN線と、GaAs-GaN線と境
界線とで囲まれた領域は相分離含有率領域を示す。３元合金InNAs、InGaN及びGa
NAsは、InNとInAsとの間、InNとGaNとの間及びGaNとGaAsとの間の格子不整合が
大きいために相分離領域が大きいことが分かった。他方、３元合金InGaAsは、約
１０００℃の結晶成長温度では、InAsとGaAsとの間の格子不整合が小さいために
相分離領域がないことが分かった。
２４の線は様々な温度に関して組成的に不安定な領域、すなわち、相分離となる
領域と安定した領域との間の境界を示している。InAs-InN線と、GaAs-GaN線と境
界線とで囲まれた領域は相分離含有率領域を示す。３元合金InNAs、InGaN及びGa
NAsは、InNとInAsとの間、InNとGaNとの間及びGaNとGaAsとの間の格子不整合が
大きいために相分離領域が大きいことが分かった。他方、３元合金InGaAsは、約
１０００℃の結晶成長温度では、InAsとGaAsとの間の格子不整合が小さいために
相分離領域がないことが分かった。
【００８５】
したがって、通常結晶成長温度が約６００℃ないし約１０００℃の概算範囲内
にあるInGaNAs材料系を提供できることが分かった。同様に、InGaNAsのGa含有率
及びAs含有率の相分離がおよそ６００℃とおよそ１０００℃の間の処理温度では
大量には発生しないことが分かった。最後に、これら２つの点を結びつけること
により、約１０００℃より低い結晶成長温度で相分離を回避するためのInGaNAs
のGa含有率及びAs含有率の含有率選択領域は、図２５の斜線領域であり、２つの
領域を分離する線がx/0.2+y/0.9=1及び1.25x-8.33y=1の関係によって近似的に定
義されることがわかる。
にあるInGaNAs材料系を提供できることが分かった。同様に、InGaNAsのGa含有率
及びAs含有率の相分離がおよそ６００℃とおよそ１０００℃の間の処理温度では
大量には発生しないことが分かった。最後に、これら２つの点を結びつけること
により、約１０００℃より低い結晶成長温度で相分離を回避するためのInGaNAs
のGa含有率及びAs含有率の含有率選択領域は、図２５の斜線領域であり、２つの
領域を分離する線がx/0.2+y/0.9=1及び1.25x-8.33y=1の関係によって近似的に定
義されることがわかる。
【００８６】
したがって、これまでに開示した２つの各構造的実施形態の場合、レーザダイ
オードの全構成層のGa含有率ｘ及びAs含有率ｙが0<=x<=1、0<=y<=1、かつx/0.2+
y/0.9<=1または1.25x-8.33y>=1の関係をほぼ満たすとき、およそ６００℃と約１
０００℃との間の結晶成長温度で動作することによって、InGaNAs材料系内で相
分離現象を回避することができる。その結果、原子モル分率に従って各構成層内
にGa原子、In原子、N原子及びAs原子がほぼ均一に分布する。
オードの全構成層のGa含有率ｘ及びAs含有率ｙが0<=x<=1、0<=y<=1、かつx/0.2+
y/0.9<=1または1.25x-8.33y>=1の関係をほぼ満たすとき、およそ６００℃と約１
０００℃との間の結晶成長温度で動作することによって、InGaNAs材料系内で相
分離現象を回避することができる。その結果、原子モル分率に従って各構成層内
にGa原子、In原子、N原子及びAs原子がほぼ均一に分布する。
【００８７】
図２６は、約１０００℃より低い成長温度で相分離現象を回避するとともにGa
Nにとって適切な格子整合を依然として確保するためのInGaNAs系のGa含有率ｘ及
びAs含有率ｙの含有率選択線を示す。図２６の線は3.54(1-x)(1-y)+4.28(1-x)y+
3.18x(1-y) +4xy=3.2の例示的な線を示す。したがって、GaN基板上に形成され
たレーザダイオードのInGaNAs構成層のGa含有率及びAs含有率が、3.54(1-x)(1-y
)+4.28(1-x)y +3.18x(1-y)+4xyがほぼ３．１８に等しく、0<=x<=1、0<=y<=1及
びx/0.2+y/0.9<=1または1.25x-8.33y>=1である関係を確実に有していることによ
って、欠陥密度が低く、相分離が全くないか非常に少ないレーザダイオードをGa
N基板上に得ることができる。
Nにとって適切な格子整合を依然として確保するためのInGaNAs系のGa含有率ｘ及
びAs含有率ｙの含有率選択線を示す。図２６の線は3.54(1-x)(1-y)+4.28(1-x)y+
3.18x(1-y) +4xy=3.2の例示的な線を示す。したがって、GaN基板上に形成され
たレーザダイオードのInGaNAs構成層のGa含有率及びAs含有率が、3.54(1-x)(1-y
)+4.28(1-x)y +3.18x(1-y)+4xyがほぼ３．１８に等しく、0<=x<=1、0<=y<=1及
びx/0.2+y/0.9<=1または1.25x-8.33y>=1である関係を確実に有していることによ
って、欠陥密度が低く、相分離が全くないか非常に少ないレーザダイオードをGa
N基板上に得ることができる。
【００８８】
さらに、上述した材料系によって他の半導体構造を製造することも可能である
。III族窒化物材料、特にGaNとAlNは高出力高温条件下で動作可能な電子デバイ
ス、例えばマイクロ波パワートランジスタでの使用に有望である。これは、その
バンドギャップの広さ（GaNの場合３．５ｅＶ、AlNの場合６．２ｅＶ）、降伏電
界の高さ、飽和速度の高さにある程度起因している。比較すると、AlAs、GaAs、
Siのバンドギャップは、それぞれ、２．１６ｅＶ、１．４２ｅＶ、１．１２ｅＶ
である。このことは、そのような電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）用にAlGaN/Ga
N材料を使用することの有意義な研究に繋がっている。しかしながら、既に述べ
たように、AlGaNとGaNの格子定数の違いから重大な欠陥が発生し、そのことが、
結果得られる構造体内の電子の移動度とそのような材料系のＦＥＴ用途での実用
性に限界を与えている。
。III族窒化物材料、特にGaNとAlNは高出力高温条件下で動作可能な電子デバイ
ス、例えばマイクロ波パワートランジスタでの使用に有望である。これは、その
バンドギャップの広さ（GaNの場合３．５ｅＶ、AlNの場合６．２ｅＶ）、降伏電
界の高さ、飽和速度の高さにある程度起因している。比較すると、AlAs、GaAs、
Siのバンドギャップは、それぞれ、２．１６ｅＶ、１．４２ｅＶ、１．１２ｅＶ
である。このことは、そのような電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）用にAlGaN/Ga
N材料を使用することの有意義な研究に繋がっている。しかしながら、既に述べ
たように、AlGaNとGaNの格子定数の違いから重大な欠陥が発生し、そのことが、
結果得られる構造体内の電子の移動度とそのような材料系のＦＥＴ用途での実用
性に限界を与えている。
【００８９】
本発明は、本発明のInGaNAs/GaN材料がGaNと等しい格子定数を有するという点
で上記の限界をほぼ克服する。既に述べたように、Ga含有率（ｘ）及びAs含有率
（ｙ）が0<=x<=1、0<=y<=1、1.25x-8.33y>=1、3.54(1-x)(1-y)+4.28(1-x)y+3.18
x(1-y)+4xyが３．１８に等しいという関係を満たすとき、In1-xGaxN1-yAsyの４
元材料系は２．８ｅＶより大きいバンドギャップを持つだけでなく、GaNとほぼ
等しい格子定数を有する。これにより、様々な層内でほぼ均一な原子含有率分布
を有するＦＥＴ等の半導体構造が製造可能になる。したがって、Gaモル分率ｘ及
びAsモル分率ｙが上記の関係を満たす本発明にかかるInGaNAs/GaN材料系を使用
することにより、欠陥密度の低い高出力高温トランジスタを実現することができ
る。
で上記の限界をほぼ克服する。既に述べたように、Ga含有率（ｘ）及びAs含有率
（ｙ）が0<=x<=1、0<=y<=1、1.25x-8.33y>=1、3.54(1-x)(1-y)+4.28(1-x)y+3.18
x(1-y)+4xyが３．１８に等しいという関係を満たすとき、In1-xGaxN1-yAsyの４
元材料系は２．８ｅＶより大きいバンドギャップを持つだけでなく、GaNとほぼ
等しい格子定数を有する。これにより、様々な層内でほぼ均一な原子含有率分布
を有するＦＥＴ等の半導体構造が製造可能になる。したがって、Gaモル分率ｘ及
びAsモル分率ｙが上記の関係を満たす本発明にかかるInGaNAs/GaN材料系を使用
することにより、欠陥密度の低い高出力高温トランジスタを実現することができ
る。
【００９０】
図２７Ａに、本発明にかかるInGaNAs/GaN材料を用いたヘテロ接合電界効果ト
ランジスタ（ＨＦＥＴ）の典型的な実施形態を示す。GaN基板１５２０上には、
０．５μｍ厚のi-InGaNAs層１５２５が形成され、その次に、薄い約１０ｎｍ厚
のInGaNAs導電用チャンネル層１５３０と１０ｎｍ厚のGaN層１５３５が形成され
ている。ソース電極及びドレイン電極１５４０Ａ、１５４０Ｂとゲート電極１５
４５が従来の方法で形成されている。この構造において、InGaNAs層のGa含有率
ｘ及びAs含有率ｙはそれぞれ０．９９９及び０．０２４に設定されている。この
場合、ｘとｙの値は0<=x<=1、0<=y<=1、1.25x-8.33y>=1、3.54(1-x)(1-y)+4.28(
1-x)y+3.18x(1-y)+4xyがほぼ３．１８に等しいという関係を満たしている。これ
により、実質的に相分離がなくGaNと等しい格子定数を有するInGaNAs層が得られ
る。ひいては、InGaNAs層とGaN層のヘテロ界面に形成された２次元電子ガスが（
欠陥が存在する場合に発生するような）InGaNAs層の原子含有率の揺らぎによっ
て散乱されることがないために、高い電子速度を達成することができる。さらに
、InGaNAsのバンドギャップは２．８ｅＶより大きいので、図２７Ａに示す構造
を使用することにより信頼性のある高温動作を実現することができる。
ランジスタ（ＨＦＥＴ）の典型的な実施形態を示す。GaN基板１５２０上には、
０．５μｍ厚のi-InGaNAs層１５２５が形成され、その次に、薄い約１０ｎｍ厚
のInGaNAs導電用チャンネル層１５３０と１０ｎｍ厚のGaN層１５３５が形成され
ている。ソース電極及びドレイン電極１５４０Ａ、１５４０Ｂとゲート電極１５
４５が従来の方法で形成されている。この構造において、InGaNAs層のGa含有率
ｘ及びAs含有率ｙはそれぞれ０．９９９及び０．０２４に設定されている。この
場合、ｘとｙの値は0<=x<=1、0<=y<=1、1.25x-8.33y>=1、3.54(1-x)(1-y)+4.28(
1-x)y+3.18x(1-y)+4xyがほぼ３．１８に等しいという関係を満たしている。これ
により、実質的に相分離がなくGaNと等しい格子定数を有するInGaNAs層が得られ
る。ひいては、InGaNAs層とGaN層のヘテロ界面に形成された２次元電子ガスが（
欠陥が存在する場合に発生するような）InGaNAs層の原子含有率の揺らぎによっ
て散乱されることがないために、高い電子速度を達成することができる。さらに
、InGaNAsのバンドギャップは２．８ｅＶより大きいので、図２７Ａに示す構造
を使用することにより信頼性のある高温動作を実現することができる。
【００９１】
同様に、図２７Ｂは本発明にかかるヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢ
Ｔ）の実施形態を示す。GaN基板１５５０上には、４００ｎｍ厚のｎ型GaNコレク
タ層１５５５が形成され、その次に、５０ｎｍ厚のｐ型InGaNAsベース層１５６
０と３００ｎｍ厚のｎ型GaNエミッタ層１５６５が形成されている。ベース電極
１５７０、コレクタ電極１５７５及びエミッタ電極１５８０が従来の方法で形成
されている。図２７Ａと同様に、図２７Ｂの実施形態では、InGaNAs層のGa含有
率ｘ及びAs含有率ｙはそれぞれ０．９９９及び０．０２４に設定されており、ｘ
とｙは上記と同じ関係を満たす必要がある。図２７Ａと同様に、大きな相分離が
なくGaNと等しい格子定数を有するInGaNAs層が実現され、その結果、非常に高品
質のInGaNAs/GaNヘテロ接合が得られる。さらに、GaNエミッタ層のバンドギャッ
プ（３．５ｅＶ）はInGaNAsベース層のバンドギャップ（２．９ｅＶ）より大き
いので、ｐ型ベース層に発生した正孔がこのベース層内にうまく閉じ込められる
。これは、GaNホモ接合バイポーラトランジスタにおいて発生するよりも大きな
価電子帯不連続がGaNとInGaNAsとの間に発生することに起因する。このことは、
ベース電流に比べて電流増幅が大きいコレクタ電流が得られるという利点をもた
らす。さらに、上述したように、InGaNAsとGaN層のバンドギャップは大きいので
、トランジスタを高温での用途に信頼性を持って利用することができる。
Ｔ）の実施形態を示す。GaN基板１５５０上には、４００ｎｍ厚のｎ型GaNコレク
タ層１５５５が形成され、その次に、５０ｎｍ厚のｐ型InGaNAsベース層１５６
０と３００ｎｍ厚のｎ型GaNエミッタ層１５６５が形成されている。ベース電極
１５７０、コレクタ電極１５７５及びエミッタ電極１５８０が従来の方法で形成
されている。図２７Ａと同様に、図２７Ｂの実施形態では、InGaNAs層のGa含有
率ｘ及びAs含有率ｙはそれぞれ０．９９９及び０．０２４に設定されており、ｘ
とｙは上記と同じ関係を満たす必要がある。図２７Ａと同様に、大きな相分離が
なくGaNと等しい格子定数を有するInGaNAs層が実現され、その結果、非常に高品
質のInGaNAs/GaNヘテロ接合が得られる。さらに、GaNエミッタ層のバンドギャッ
プ（３．５ｅＶ）はInGaNAsベース層のバンドギャップ（２．９ｅＶ）より大き
いので、ｐ型ベース層に発生した正孔がこのベース層内にうまく閉じ込められる
。これは、GaNホモ接合バイポーラトランジスタにおいて発生するよりも大きな
価電子帯不連続がGaNとInGaNAsとの間に発生することに起因する。このことは、
ベース電流に比べて電流増幅が大きいコレクタ電流が得られるという利点をもた
らす。さらに、上述したように、InGaNAsとGaN層のバンドギャップは大きいので
、トランジスタを高温での用途に信頼性を持って利用することができる。
【００９２】
次に、図２８に、本発明のフォトトランジスタとしての実施例を示す。この点
に関して、GaNとInNは広いバンドギャップ（GaNの場合、３５０ｎｍの光の波長
に相当する３．５ｅＶ、InNの場合、６５０ｎｍの光の波長に相当する１．９ｅ
Ｖ）を有するので、GaNとInGaNは可視光領域の光検出器にとって魅力的な材料で
ある。直接バンドギャップとInN合金の組成範囲全体の中でのInGaNの可用性のた
めに、InGaN/GaNによる可視光検出器は、高遮断波長が調整可能であるとともに
、量子効率が高いという利点をもたらす。しかしながら、InGaNの格子定数は欠
陥が形成されやすいほどGaNと異なっており、漏れ電流を増加させることになる
。Ga含有率（ｘ）及びAs含有率（ｙ）が0<=x<=1、0<=y<=1、1.25x-8.33y>=1の関
係を満たすIn1-xGaxN1-yAsyは、２．８ｅＶより大きいバンドギャップを提供す
るだけでなく、各層内に同じ原子含有率分布で形成することができるので、InGa
NAs材料を可視光検出器用途に利用することも可能である。さらに、Ga含有率ｘ
及びAs含有率ｙが3.54(1-x)(1-y)+4.28(1-x)y+ 3.18x(1-y)+4xyがほぼ３．１８
に等しいという関係を満たすIn1-xGaxN1-yAsyの４元材料は、GaNとほぼ等しい格
子定数と２．８ｅＶより大きいバンドギャップを有する。したがって、Ga含有率
ｘ及びAs含有率ｙが上記の関係を満たすInGaNAs/GaN材料を使用することにより
、欠陥密度の低いＵＶ光から青色光までの検出器を実現することができる。他の
周波数の検出が必要な場合には、わずかな変更しか必要としない。
に関して、GaNとInNは広いバンドギャップ（GaNの場合、３５０ｎｍの光の波長
に相当する３．５ｅＶ、InNの場合、６５０ｎｍの光の波長に相当する１．９ｅ
Ｖ）を有するので、GaNとInGaNは可視光領域の光検出器にとって魅力的な材料で
ある。直接バンドギャップとInN合金の組成範囲全体の中でのInGaNの可用性のた
めに、InGaN/GaNによる可視光検出器は、高遮断波長が調整可能であるとともに
、量子効率が高いという利点をもたらす。しかしながら、InGaNの格子定数は欠
陥が形成されやすいほどGaNと異なっており、漏れ電流を増加させることになる
。Ga含有率（ｘ）及びAs含有率（ｙ）が0<=x<=1、0<=y<=1、1.25x-8.33y>=1の関
係を満たすIn1-xGaxN1-yAsyは、２．８ｅＶより大きいバンドギャップを提供す
るだけでなく、各層内に同じ原子含有率分布で形成することができるので、InGa
NAs材料を可視光検出器用途に利用することも可能である。さらに、Ga含有率ｘ
及びAs含有率ｙが3.54(1-x)(1-y)+4.28(1-x)y+ 3.18x(1-y)+4xyがほぼ３．１８
に等しいという関係を満たすIn1-xGaxN1-yAsyの４元材料は、GaNとほぼ等しい格
子定数と２．８ｅＶより大きいバンドギャップを有する。したがって、Ga含有率
ｘ及びAs含有率ｙが上記の関係を満たすInGaNAs/GaN材料を使用することにより
、欠陥密度の低いＵＶ光から青色光までの検出器を実現することができる。他の
周波数の検出が必要な場合には、わずかな変更しか必要としない。
【００９３】
図２８に示すように、本発明の半導体装置は、InGaNAs/GaN材料を使用してヘ
テロ接合フォトトランジスタ（ＨＰＴ）の形で実施可能である。GaN基板１７０
０上には、ｎ型GaNコレクタ層１７０５がおよそ５００ｎｍ厚に形成され、その
次に、２００ｎｍ厚のｐ型InGaNAsベース層１７１０が形成されている。その後
、およそ５００ｎｍ厚のInGaNAsエミッタ層１７１５が形成されている。エミッ
タ層の上には、光がベース層に当たるようにリング状の電極１７２０が形成され
ている。
テロ接合フォトトランジスタ（ＨＰＴ）の形で実施可能である。GaN基板１７０
０上には、ｎ型GaNコレクタ層１７０５がおよそ５００ｎｍ厚に形成され、その
次に、２００ｎｍ厚のｐ型InGaNAsベース層１７１０が形成されている。その後
、およそ５００ｎｍ厚のInGaNAsエミッタ層１７１５が形成されている。エミッ
タ層の上には、光がベース層に当たるようにリング状の電極１７２０が形成され
ている。
【００９４】
典型的な構造では、InGaNAs層のGa含有率ｘ及びAs含有率ｙはそれぞれ０．９
９９及び０．０２４に設定される。この場合、ｘとｙの値は0<=x<=1、0<=y<=1、
1.25x-8.33y>=1、3.54(1-x)(1-y)+4.28(1-x)y+3.18x(1-y)+4xyがほぼ３．１８に
等しいという関係を満たすので、InGaNAs層をGaNと等しい格子定数を持ちながら
相分離をほぼ回避するように形成して、高品質のInGaNAs/GaNヘテロ接合を形成
することが可能になる。GaNエミッタ層のバンドギャップ（３５０ｎｍの光の波
長に相当する３．５ｅＶ）はInGaNAsベース層のバンドギャップ（４２０ｎｍの
光の波長に相当する２．９ｅＶ）よりも大きい。光はエミッタ側に照射される。
図示の実施形態の場合、３５０ｎｍと４２０ｎｍの間の波長範囲の照射光はエミ
ッタ層を透過するので、InGaNAsベース層に吸収されて電子と正孔の対を発生さ
せる。GaNとInGaNAsとの間の価電子帯の不連続が従来のGaNホモ接合フォトトラ
ンジスタの場合よりも大きいので、ｐ型ベース層の光吸収によって生成された正
孔はベース層にうまく閉じ込められる。これにより、より大きなエミッタ電流が
誘導されることになり、ホモ接合フォトトランジスタの場合よりも優れた電子中
和がベース領域にもたらされる。したがって、高量子効率かつ高感度、及びその
結果として入射光からコレクタ電流への高変換効率を有する青色光検出器が得ら
れる。
９９及び０．０２４に設定される。この場合、ｘとｙの値は0<=x<=1、0<=y<=1、
1.25x-8.33y>=1、3.54(1-x)(1-y)+4.28(1-x)y+3.18x(1-y)+4xyがほぼ３．１８に
等しいという関係を満たすので、InGaNAs層をGaNと等しい格子定数を持ちながら
相分離をほぼ回避するように形成して、高品質のInGaNAs/GaNヘテロ接合を形成
することが可能になる。GaNエミッタ層のバンドギャップ（３５０ｎｍの光の波
長に相当する３．５ｅＶ）はInGaNAsベース層のバンドギャップ（４２０ｎｍの
光の波長に相当する２．９ｅＶ）よりも大きい。光はエミッタ側に照射される。
図示の実施形態の場合、３５０ｎｍと４２０ｎｍの間の波長範囲の照射光はエミ
ッタ層を透過するので、InGaNAsベース層に吸収されて電子と正孔の対を発生さ
せる。GaNとInGaNAsとの間の価電子帯の不連続が従来のGaNホモ接合フォトトラ
ンジスタの場合よりも大きいので、ｐ型ベース層の光吸収によって生成された正
孔はベース層にうまく閉じ込められる。これにより、より大きなエミッタ電流が
誘導されることになり、ホモ接合フォトトランジスタの場合よりも優れた電子中
和がベース領域にもたらされる。したがって、高量子効率かつ高感度、及びその
結果として入射光からコレクタ電流への高変換効率を有する青色光検出器が得ら
れる。
【００９５】
図２８のフォトトランジスタに加えて、本発明に従ってフォトダイオードを実
現することも可能である。図２９では、ｎ型基板１９００が設けられており、そ
の上にIn1-xGaxN1-yAsy４元材料または等価物からなるｎ型層９１０が形成され
、この層は図２８に関連して上述した関係に従っている。その後、活性層１９１
５が形成され、その上方には、ｐ型In1-xGaxN1-yAsy４元材料からなる層１９２
０が形成されている。そして、この層１９２０の上方に、ｐ型第２クラッド層１
９２５が形成され、そこには、層１９２０の一部を露出させるようにウィンドウ
１９３０が形成されている。ウィンドウ１９３０は光を層１９２０に当てること
ができる入口となって正孔を発生させる。従来の方法で一対の電極１９３５、１
９４０が形成されてもよく、その場合、電極１９３５は、通常、ウィンドウ１９
３０周りのリング状の電極である。第２クラッド層１９２５のバンドギャップは
層１９２０のバンドギャップよりも大きいことが好ましく、さらに、層１９２０
のバンドギャップは活性層１９１５のバンドギャップよりも大きいことが好まし
いことが理解できる。そのような手法によれば、最大限広い範囲の光の波長に対
して感度がよくなる。より狭い波長範囲が望ましい場合には、層１９２０よりも
小さなバンドギャップを有する材料を層１９２５に対して使用してもよい。さら
に、層１９１０、１９１５、１９２０は、少なくともいくつかの場合には、適正
な光電性ｐｎ接合を提供するので、全ての実施形態に層１９２５を含ませる必要
はない。
現することも可能である。図２９では、ｎ型基板１９００が設けられており、そ
の上にIn1-xGaxN1-yAsy４元材料または等価物からなるｎ型層９１０が形成され
、この層は図２８に関連して上述した関係に従っている。その後、活性層１９１
５が形成され、その上方には、ｐ型In1-xGaxN1-yAsy４元材料からなる層１９２
０が形成されている。そして、この層１９２０の上方に、ｐ型第２クラッド層１
９２５が形成され、そこには、層１９２０の一部を露出させるようにウィンドウ
１９３０が形成されている。ウィンドウ１９３０は光を層１９２０に当てること
ができる入口となって正孔を発生させる。従来の方法で一対の電極１９３５、１
９４０が形成されてもよく、その場合、電極１９３５は、通常、ウィンドウ１９
３０周りのリング状の電極である。第２クラッド層１９２５のバンドギャップは
層１９２０のバンドギャップよりも大きいことが好ましく、さらに、層１９２０
のバンドギャップは活性層１９１５のバンドギャップよりも大きいことが好まし
いことが理解できる。そのような手法によれば、最大限広い範囲の光の波長に対
して感度がよくなる。より狭い波長範囲が望ましい場合には、層１９２０よりも
小さなバンドギャップを有する材料を層１９２５に対して使用してもよい。さら
に、層１９１０、１９１５、１９２０は、少なくともいくつかの場合には、適正
な光電性ｐｎ接合を提供するので、全ての実施形態に層１９２５を含ませる必要
はない。
【００９６】
図３０には、本発明の第７の実施形態にかかる半導体構造が断面図で示されて
いる。本発明は複数の素子タイプに適用されるが、例示のため、図面の多くにお
いて示す半導体構造はレーザダイオードとする。特に図３０に示すように、ｎ型
GaN基板３００が設けられており、その上に、ｎ型GaN第１クラッド層３０５（通
常０．５μｍ厚）が形成されている。その後、通常およそ１．５μｍ厚のｎ型Al 0.99 In0.01N0.99Al0.01材料からなる第２クラッド層３１０が形成され、その次
に、多重量子井戸活性層３１５が形成され、この多重量子井戸活性層３１５は、
典型的な構成では、およそ３５オングストローム厚のAl0.95In0.05N0.99Al0.01
材料からなる３つの量子井戸層と、およそ３５オングストローム厚のAl0.95In0. 05 N0.985Al0.015材料からなる４つの障壁層を３対の構成で備えている。次に、
ｐ型Al0.99In0.01N0.99Al0.01材料からなる第３クラッド層３２０（通常およそ
１．５μｍ厚）が形成され、その次に、ｐ型GaN第５クラッド層３２５（およそ
０．５μｍ厚）が形成されている。ｐ型GaN第４クラッド層３２５の上に、スト
ライプ状ウィンドウ領域３３５（３．０μｍ幅）を１つ有するSiO2層３３０が形
成されている。ｎ型GaN基板３００の上には第１の電極３４０が形成されており
、SiO2層３３０及びウィンドウ領域３３５の上には第２の電極３４５が形成され
ている。
いる。本発明は複数の素子タイプに適用されるが、例示のため、図面の多くにお
いて示す半導体構造はレーザダイオードとする。特に図３０に示すように、ｎ型
GaN基板３００が設けられており、その上に、ｎ型GaN第１クラッド層３０５（通
常０．５μｍ厚）が形成されている。その後、通常およそ１．５μｍ厚のｎ型Al 0.99 In0.01N0.99Al0.01材料からなる第２クラッド層３１０が形成され、その次
に、多重量子井戸活性層３１５が形成され、この多重量子井戸活性層３１５は、
典型的な構成では、およそ３５オングストローム厚のAl0.95In0.05N0.99Al0.01
材料からなる３つの量子井戸層と、およそ３５オングストローム厚のAl0.95In0. 05 N0.985Al0.015材料からなる４つの障壁層を３対の構成で備えている。次に、
ｐ型Al0.99In0.01N0.99Al0.01材料からなる第３クラッド層３２０（通常およそ
１．５μｍ厚）が形成され、その次に、ｐ型GaN第５クラッド層３２５（およそ
０．５μｍ厚）が形成されている。ｐ型GaN第４クラッド層３２５の上に、スト
ライプ状ウィンドウ領域３３５（３．０μｍ幅）を１つ有するSiO2層３３０が形
成されている。ｎ型GaN基板３００の上には第１の電極３４０が形成されており
、SiO2層３３０及びウィンドウ領域３３５の上には第２の電極３４５が形成され
ている。
【００９７】
活性層３１５から２１０ｎｍの波長領域を有する紫外光を放出させるために、
全ての層のIn含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.11(1-x)(1-y)+4(1-x)y+3.54x(1-y)+
4.28xyがほぼ一定の値に等しく、少なくとも第７の実施形態の場合はおよそ３．
１４であるという条件を一様に満たしている。相分離に起因する欠陥を回避する
ため、様々な構成層のそれぞれにおいてIn含有率ｘ及びAs含有率ｙを3.11(1-x)(
1-y)+4(1-x)y+3.54x(1-y) +4.28xyが一定の値にほぼ等しい、第７の実施形態の
場合はおよそ３．１４±０．０５であるという条件を満たすように設定すること
によって、様々な構成層の格子定数を互いに一致させ、各層の等価格子定数がGa
Nの格子定数にほぼ等しくなるようにしている。
全ての層のIn含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.11(1-x)(1-y)+4(1-x)y+3.54x(1-y)+
4.28xyがほぼ一定の値に等しく、少なくとも第７の実施形態の場合はおよそ３．
１４であるという条件を一様に満たしている。相分離に起因する欠陥を回避する
ため、様々な構成層のそれぞれにおいてIn含有率ｘ及びAs含有率ｙを3.11(1-x)(
1-y)+4(1-x)y+3.54x(1-y) +4.28xyが一定の値にほぼ等しい、第７の実施形態の
場合はおよそ３．１４±０．０５であるという条件を満たすように設定すること
によって、様々な構成層の格子定数を互いに一致させ、各層の等価格子定数がGa
Nの格子定数にほぼ等しくなるようにしている。
【００９８】
材料を適正に選択することにより、ｎ型第２クラッド層３１０及びｐ型第３ク
ラッド層３２０のバンドギャップエネルギーが３対の多重量子井戸活性層３１５
のバンドギャップエネルギーより大きくなる。これにより、ｎ型第２クラッド層
３１０及びｐ型第３クラッド層３２０からの注入キャリアが活性層３１５内に閉
じ込められ、キャリアが再結合して紫外光を放出する。さらに、ｎ型第２クラッ
ド層３１０及びｐ型第３クラッド層３２０の屈折率が多重量子井戸活性層３１５
の屈折率より小さいので、光の場が横方向に閉じ込められる。
ラッド層３２０のバンドギャップエネルギーが３対の多重量子井戸活性層３１５
のバンドギャップエネルギーより大きくなる。これにより、ｎ型第２クラッド層
３１０及びｐ型第３クラッド層３２０からの注入キャリアが活性層３１５内に閉
じ込められ、キャリアが再結合して紫外光を放出する。さらに、ｎ型第２クラッ
ド層３１０及びｐ型第３クラッド層３２０の屈折率が多重量子井戸活性層３１５
の屈折率より小さいので、光の場が横方向に閉じ込められる。
【００９９】
電極３４５からの注入電流は閉じ込められてウィンドウ領域３３５を流れるの
で、ウィンドウ領域３３５下方の活性層３１５内の領域が強く活性化される。こ
れにより、ウィンドウ領域下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層下方の活性
層内の局部モード利得より高くなる。したがって、第１の実施形態の構造によっ
て利得導波による導波路機構が形成され、レーザ発振をもたらす。
で、ウィンドウ領域３３５下方の活性層３１５内の領域が強く活性化される。こ
れにより、ウィンドウ領域下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層下方の活性
層内の局部モード利得より高くなる。したがって、第１の実施形態の構造によっ
て利得導波による導波路機構が形成され、レーザ発振をもたらす。
【０１００】
図３１Ａないし図３１Ｄは、第７の実施形態にかかる典型的なレーザダイオー
ドを構成するのに必要な製造工程の概要を順に示す。図３１Ａないし図３１Ｄか
ら得られる構造は図３０に示すものと類似しているので、可能な場合には要素に
同じ参照番号を使用することとする。最初に図３１Ａに示すように、ｎ型GaN基
板３００が設けられており、その上には、ｎ型GaN第１クラッド層３０５が成長
している。第１クラッド層３０５は通常およそ０．５μｍ厚である。その後、通
常およそ１．５μｍ厚のｎ型Al0.99In0.01N0.99Al0.01第２クラッド層３１０が
形成される。
ドを構成するのに必要な製造工程の概要を順に示す。図３１Ａないし図３１Ｄか
ら得られる構造は図３０に示すものと類似しているので、可能な場合には要素に
同じ参照番号を使用することとする。最初に図３１Ａに示すように、ｎ型GaN基
板３００が設けられており、その上には、ｎ型GaN第１クラッド層３０５が成長
している。第１クラッド層３０５は通常およそ０．５μｍ厚である。その後、通
常およそ１．５μｍ厚のｎ型Al0.99In0.01N0.99Al0.01第２クラッド層３１０が
形成される。
【０１０１】
次に、およそ３５オングストローム厚のAl0.95In0.05N0.985Al0.015材料から
なる４つの障壁層と、それぞれおよそ３５オングストローム厚の３層のAl0.95In 0.05 N0.99Al0.01材料とからなる３つの量子井戸を形成することにより、多重量
子井戸活性層３１５が形成される。その後、およそ１．５μｍ厚のｐ型Al0.99In 0.01 N0.99Al0.01材料からなる第３クラッド層３２０が形成された後、およそ０
．５μｍ厚のｐ型GaNからなる第４クラッド層３２５が形成される。通常、各層
は有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法あるいは分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法の
どちらかによって形成される。
なる４つの障壁層と、それぞれおよそ３５オングストローム厚の３層のAl0.95In 0.05 N0.99Al0.01材料とからなる３つの量子井戸を形成することにより、多重量
子井戸活性層３１５が形成される。その後、およそ１．５μｍ厚のｐ型Al0.99In 0.01 N0.99Al0.01材料からなる第３クラッド層３２０が形成された後、およそ０
．５μｍ厚のｐ型GaNからなる第４クラッド層３２５が形成される。通常、各層
は有機金属化学蒸着（ＭＯＣＶＤ）法あるいは分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法の
どちらかによって形成される。
【０１０２】
その後、図３１Ｂに示すように、ｐ型GaN第４クラッド層３２５上に、例えば
化学蒸着（ＣＶＤ）法によって二酸化珪素(SiO2)層３３０が形成される。フォト
リソグラフィとエッチングまたは他の適切な方法とを用いて、図３１Ｃに示すよ
うに、ウィンドウ領域３３５が形成される。ウィンドウ領域３３５は、少なくと
も一部の実施形態ではストライプ状であってもよい。最後に、図３１Ｄに示すよ
うに、蒸着あるいは他の適切な方法により、ｎ型GaN基板３００とSiO2層３３０
上にそれぞれ第１の電極３４０と第２の電極３４５が形成される。
化学蒸着（ＣＶＤ）法によって二酸化珪素(SiO2)層３３０が形成される。フォト
リソグラフィとエッチングまたは他の適切な方法とを用いて、図３１Ｃに示すよ
うに、ウィンドウ領域３３５が形成される。ウィンドウ領域３３５は、少なくと
も一部の実施形態ではストライプ状であってもよい。最後に、図３１Ｄに示すよ
うに、蒸着あるいは他の適切な方法により、ｎ型GaN基板３００とSiO2層３３０
上にそれぞれ第１の電極３４０と第２の電極３４５が形成される。
【０１０３】
次に、図３２を参照することにより、本発明にかかる半導体構造の第８の実施
形態をより深く理解することができる。第７の実施形態と同様に、第８の実施形
態の典型的な適用例はレーザダイオードの作成である。第８の実施形態の構造に
より、実屈折率導波を有する導波路機構を構造内に組み込むことができる。これ
により、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される。
形態をより深く理解することができる。第７の実施形態と同様に、第８の実施形
態の典型的な適用例はレーザダイオードの作成である。第８の実施形態の構造に
より、実屈折率導波を有する導波路機構を構造内に組み込むことができる。これ
により、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される。
【０１０４】
引き続き図３２に基づいて、参照を容易にするため、同じ要素を同じ参照番号
で示す。ｎ型GaN基板３００に、およそ０．５μｍ厚のｎ型GaNから第１クラッド
層３０５が形成されている。続いて、およそ１．５μｍ厚のAl0.99In0.01N0.99A
l0.01材料からｎ型第２クラッド層３１０が形成されている。その後、およそ３
５オングストローム厚のAl0.95In0.05N0.985Al0.015材料からなる４つの障壁層
とおよそ３５オングストローム厚のAl0.95In0.05N0.99Al0.01材料からなる３つ
の井戸層を備えた多重量子井戸活性層３１５が形成されている。次に、およそ１
．５μｍ厚のAl0.99In0.01N0.99Al0.01材料からなる第３のｐ型クラッド層３２
０が形成されている。その後、第３クラッド層３２０のリッジ構造２５００全体
に、およそ０．５μｍ厚のｐ型GaN第４クラッド層３２５が形成されている。そ
して、第３及び第４クラッド層が部分的に除去されてリッジ構造２５００が形成
されている。
で示す。ｎ型GaN基板３００に、およそ０．５μｍ厚のｎ型GaNから第１クラッド
層３０５が形成されている。続いて、およそ１．５μｍ厚のAl0.99In0.01N0.99A
l0.01材料からｎ型第２クラッド層３１０が形成されている。その後、およそ３
５オングストローム厚のAl0.95In0.05N0.985Al0.015材料からなる４つの障壁層
とおよそ３５オングストローム厚のAl0.95In0.05N0.99Al0.01材料からなる３つ
の井戸層を備えた多重量子井戸活性層３１５が形成されている。次に、およそ１
．５μｍ厚のAl0.99In0.01N0.99Al0.01材料からなる第３のｐ型クラッド層３２
０が形成されている。その後、第３クラッド層３２０のリッジ構造２５００全体
に、およそ０．５μｍ厚のｐ型GaN第４クラッド層３２５が形成されている。そ
して、第３及び第４クラッド層が部分的に除去されてリッジ構造２５００が形成
されている。
【０１０５】
その後、第３クラッド層３２０の残存する露出部分と第４クラッド層３２５を
覆うように二酸化珪素(SiO2)層３３０が形成されている。第４及び第３クラッド
層３２５、３２０の上方には、それぞれSiO2層を介して、およそ２．０μｍ幅の
ストライプ状のウィンドウ領域３３５が形成されている。第７の実施形態と同様
に、ｎ型GaN基板３００上には第１の電極３４０が形成され、SiO2層３３０及び
ウィンドウ領域３３５の上には第２の電極３４５が形成されている。
覆うように二酸化珪素(SiO2)層３３０が形成されている。第４及び第３クラッド
層３２５、３２０の上方には、それぞれSiO2層を介して、およそ２．０μｍ幅の
ストライプ状のウィンドウ領域３３５が形成されている。第７の実施形態と同様
に、ｎ型GaN基板３００上には第１の電極３４０が形成され、SiO2層３３０及び
ウィンドウ領域３３５の上には第２の電極３４５が形成されている。
【０１０６】
第７の実施形態と同様に、活性層３１５から２１０ｎｍ領域の波長を有する紫
外光を放出させるために、井戸層内のIn含有率ｘ及びAs含有率ｙがそれぞれ０．
０５、０．０１に設定されている。同様に、各構成層の格子定数を一致させて相
分離に起因する欠陥を回避するため、全ての層のIn含有率ｘ及びAs含有率ｙが、
3.11(1-x)(1-y) +4(1-x)y+3.54x(1-y)+4.28xyがほぼ一定の値に等しい、例えば
、３．１４±０．０５であるという条件を満たしている。同様に、クラッド層の
バンドギャップエネルギーが活性層のバンドギャップエネルギーより大きい値に
維持され、青色光の放出が可能になっている。また、材料の屈折率は第７の実施
形態に関連して述べたとおりであり、光の場を横方向に閉じ込められるようにな
っている。
外光を放出させるために、井戸層内のIn含有率ｘ及びAs含有率ｙがそれぞれ０．
０５、０．０１に設定されている。同様に、各構成層の格子定数を一致させて相
分離に起因する欠陥を回避するため、全ての層のIn含有率ｘ及びAs含有率ｙが、
3.11(1-x)(1-y) +4(1-x)y+3.54x(1-y)+4.28xyがほぼ一定の値に等しい、例えば
、３．１４±０．０５であるという条件を満たしている。同様に、クラッド層の
バンドギャップエネルギーが活性層のバンドギャップエネルギーより大きい値に
維持され、青色光の放出が可能になっている。また、材料の屈折率は第７の実施
形態に関連して述べたとおりであり、光の場を横方向に閉じ込められるようにな
っている。
【０１０７】
第７の実施形態の動作と同様に、SiO2層が注入電流を拘束するので、活性層３
１５のウィンドウ領域３３５下方の領域が強く活性化される。その結果は、やは
り、ウィンドウ領域３３５下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層３３０下方
の活性層内の局部モード利得より高くなる。これにより、リッジストライプ領域
の外側と比較して内側において横方向の実効屈折率が相対的に高くなることと相
俟って、実効屈折率ステップが得られる。これにより、実屈折率導波からなる組
込み式の導波路機構を有する構造が得られる。したがって、第８の実施形態の構
造により、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される
。
１５のウィンドウ領域３３５下方の領域が強く活性化される。その結果は、やは
り、ウィンドウ領域３３５下方の活性層内の局部モード利得がSiO2層３３０下方
の活性層内の局部モード利得より高くなる。これにより、リッジストライプ領域
の外側と比較して内側において横方向の実効屈折率が相対的に高くなることと相
俟って、実効屈折率ステップが得られる。これにより、実屈折率導波からなる組
込み式の導波路機構を有する構造が得られる。したがって、第８の実施形態の構
造により、基本横モードで動作可能な低閾値電流レーザダイオードが提供される
。
【０１０８】
次に、図３３Ａないし図３３Ｅに、第６の実施形態にかかる半導体レーザダイ
オードの典型的な素子の主要製造工程の概要を示す。
オードの典型的な素子の主要製造工程の概要を示す。
【０１０９】
まず、図３３Ａ及び図３３Ｂに示すように、ｎ型GaN基板３００上への第１及
び第２クラッド層３０５、３１０及び３対の多重量子井戸活性層３１５の形成は
第７の実施形態と同じである。その後、第３及び第４のクラッド層３２０、３２
５が形成された後、通常はエッチングにより、一部が除去されてリッジ構造２５
００が形成される。既に述べたように、典型的な実施形態では、ＭＯＣＶＤ法あ
るいはＭＢＥ法のどちらかにより様々な層が順次形成される。
び第２クラッド層３０５、３１０及び３対の多重量子井戸活性層３１５の形成は
第７の実施形態と同じである。その後、第３及び第４のクラッド層３２０、３２
５が形成された後、通常はエッチングにより、一部が除去されてリッジ構造２５
００が形成される。既に述べたように、典型的な実施形態では、ＭＯＣＶＤ法あ
るいはＭＢＥ法のどちらかにより様々な層が順次形成される。
【０１１０】
その後、図３３Ｃないし図３３Ｅに示すように、第５及び第３クラッド層３２
５、３２０上にそれぞれ、通常はＣＶＤ法により二酸化珪素層３３０が形成され
、その後、第７の実施形態と同様に、ウィンドウ領域３３５が形成される。その
後、電極３４０、３４５が構造体に蒸着されるかあるいは接合される。
５、３２０上にそれぞれ、通常はＣＶＤ法により二酸化珪素層３３０が形成され
、その後、第７の実施形態と同様に、ウィンドウ領域３３５が形成される。その
後、電極３４０、３４５が構造体に蒸着されるかあるいは接合される。
【０１１１】
次に、図３４を参照することにより、In含有率ｘ及びAs含有率ｙの選択と、In
AlNAs構成層の場合の両含有率の関係をより深く理解できる。特に、InとAsの相
対含有率は、0<=x<=1、0<=y<=1、x/0.1+y/0.02<=1またはx/0.9-2.22y>=1の関係
をほぼ満足させることが必要である。
AlNAs構成層の場合の両含有率の関係をより深く理解できる。特に、InとAsの相
対含有率は、0<=x<=1、0<=y<=1、x/0.1+y/0.02<=1またはx/0.9-2.22y>=1の関係
をほぼ満足させることが必要である。
【０１１２】
InAlNAs材料系の場合、AlN、InN、AlAs及びInAsの格子定数はそれぞれ異なる
。例えば、AlNとAlAs間、InNとInAs間、及びAlNとInN間の格子不整合は、それぞ
れ２２．２％、１７．３％及び１２．１％である。したがって、AlN、InN、AlAs
及びInAs間で等価結合距離が互いに異なっていることからInAlNAs層の等価格子
定数が基板と同じであっても、内部歪エネルギーがInAlNAs層内に蓄積する。図
３４は、様々な成長温度に対してグラフ化された相分離領域の境界を示す。図３
４の線は様々な温度に関して組成的に不安定な（相分離）領域と安定した領域と
の間の境界を示している。相分離が発生する場合には、InAlNAs層内のAl原子、I
n原子、N原子及びAs原子が各構成層内の原子含有率に従って均一に分布されない
。別の言い方をすれば、相分離された層のバンドギャップエネルギー分布もその
層内で不均一になる。相分離された層内の相対的に小さなバンドギャップ領域は
、光吸収中心として作用するか、あるいは導波光の散乱を発生させる。このこと
は、高効率の発光素子を得るためには相分離現象を回避する必要があることを意
味する。
。例えば、AlNとAlAs間、InNとInAs間、及びAlNとInN間の格子不整合は、それぞ
れ２２．２％、１７．３％及び１２．１％である。したがって、AlN、InN、AlAs
及びInAs間で等価結合距離が互いに異なっていることからInAlNAs層の等価格子
定数が基板と同じであっても、内部歪エネルギーがInAlNAs層内に蓄積する。図
３４は、様々な成長温度に対してグラフ化された相分離領域の境界を示す。図３
４の線は様々な温度に関して組成的に不安定な（相分離）領域と安定した領域と
の間の境界を示している。相分離が発生する場合には、InAlNAs層内のAl原子、I
n原子、N原子及びAs原子が各構成層内の原子含有率に従って均一に分布されない
。別の言い方をすれば、相分離された層のバンドギャップエネルギー分布もその
層内で不均一になる。相分離された層内の相対的に小さなバンドギャップ領域は
、光吸収中心として作用するか、あるいは導波光の散乱を発生させる。このこと
は、高効率の発光素子を得るためには相分離現象を回避する必要があることを意
味する。
【０１１３】
さらに図３４によれば、相分離領域が温度とともに変化することが分かる。図
３４の線は様々な温度に関して組成的に不安定な領域、すなわち、相分離となる
領域と安定した領域との間の境界を示している。InAs-InN線と、AlAs-AlN線と境
界線とで囲まれた領域は相分離含有率領域を示す。３元合金InNAs、InAlN及びAl
NAsは、InNとInAsとの間、InNとAlNとの間及びAlNとAlAsとの間の格子不整合が
大きいために相分離領域が大きいことが分かった。他方、３元合金InAlAsは、約
１０００℃の結晶成長温度では、InAsとAlAsとの間の格子不整合が小さいために
相分離領域がないことが分かった。
３４の線は様々な温度に関して組成的に不安定な領域、すなわち、相分離となる
領域と安定した領域との間の境界を示している。InAs-InN線と、AlAs-AlN線と境
界線とで囲まれた領域は相分離含有率領域を示す。３元合金InNAs、InAlN及びAl
NAsは、InNとInAsとの間、InNとAlNとの間及びAlNとAlAsとの間の格子不整合が
大きいために相分離領域が大きいことが分かった。他方、３元合金InAlAsは、約
１０００℃の結晶成長温度では、InAsとAlAsとの間の格子不整合が小さいために
相分離領域がないことが分かった。
【０１１４】
したがって、通常結晶成長温度が約６００℃ないし約１０００℃の概算範囲内
にあるAlInNAs材料系を提供できることが分かった。同様に、AlInNAsのAl含有率
及びAs含有率の相分離がおよそ６００℃とおよそ１０００℃の間の処理温度では
大量には発生しないことが分かった。最後に、これら２つの点を結びつけること
により、約１０００℃より低い結晶成長温度で相分離を回避するためのAlInNAs
のAl含有率及びAs含有率の含有率選択領域は、図３５の斜線領域であり、２つの
領域を分離する線がx/0.1+y/0.02=1及びx/0.9-2.22y=1の関係によって近似的に
定義されることがわかる。
にあるAlInNAs材料系を提供できることが分かった。同様に、AlInNAsのAl含有率
及びAs含有率の相分離がおよそ６００℃とおよそ１０００℃の間の処理温度では
大量には発生しないことが分かった。最後に、これら２つの点を結びつけること
により、約１０００℃より低い結晶成長温度で相分離を回避するためのAlInNAs
のAl含有率及びAs含有率の含有率選択領域は、図３５の斜線領域であり、２つの
領域を分離する線がx/0.1+y/0.02=1及びx/0.9-2.22y=1の関係によって近似的に
定義されることがわかる。
【０１１５】
したがって、これまでに開示した２つの各構造的実施形態の場合、レーザダイ
オードの全構成層のIn含有率ｘ及びAs含有率ｙが0<=x<=1、0<=y<=1、かつx/0.1+
y/0.02<=1またはx/0.9-2.22y>=1の関係をほぼ満たすとき、およそ６００℃と約
１０００℃との間の結晶成長温度で動作することによって、AlInNAs材料系内で
相分離現象を回避することができる。その結果、原子モル分率に従って各構成層
内にAl原子、In原子、N原子及びAs原子がほぼ均一に分布する。
オードの全構成層のIn含有率ｘ及びAs含有率ｙが0<=x<=1、0<=y<=1、かつx/0.1+
y/0.02<=1またはx/0.9-2.22y>=1の関係をほぼ満たすとき、およそ６００℃と約
１０００℃との間の結晶成長温度で動作することによって、AlInNAs材料系内で
相分離現象を回避することができる。その結果、原子モル分率に従って各構成層
内にAl原子、In原子、N原子及びAs原子がほぼ均一に分布する。
【０１１６】
さらに、上述した材料系によって他の半導体構造を製造することも可能である
。III族窒化物材料、特にGaNとAlNは高出力高温条件下で動作可能な電子デバイ
ス、例えばマイクロ波パワートランジスタでの使用に有望である。これは、その
バンドギャップの広さ（GaNの場合３．５ｅＶ、AlNの場合６．２ｅＶ）、降伏電
界の高さ、飽和速度の高さにある程度起因している。比較すると、AlAs、GaAs、
Siのバンドギャップは、それぞれ、２．１６ｅＶ、１．４２ｅＶ、１．１２ｅＶ
である。このことは、そのような電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）用にAlGaN/Ga
N材料を使用することの有意義な研究に繋がっている。しかしながら、既に述べ
たように、AlGaNとGaNの格子定数の違いから重大な欠陥が発生し、そのことが、
結果得られる構造体内の電子の移動度とそのような材料系のＦＥＴ用途での実用
性に限界を与えている。
。III族窒化物材料、特にGaNとAlNは高出力高温条件下で動作可能な電子デバイ
ス、例えばマイクロ波パワートランジスタでの使用に有望である。これは、その
バンドギャップの広さ（GaNの場合３．５ｅＶ、AlNの場合６．２ｅＶ）、降伏電
界の高さ、飽和速度の高さにある程度起因している。比較すると、AlAs、GaAs、
Siのバンドギャップは、それぞれ、２．１６ｅＶ、１．４２ｅＶ、１．１２ｅＶ
である。このことは、そのような電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）用にAlGaN/Ga
N材料を使用することの有意義な研究に繋がっている。しかしながら、既に述べ
たように、AlGaNとGaNの格子定数の違いから重大な欠陥が発生し、そのことが、
結果得られる構造体内の電子の移動度とそのような材料系のＦＥＴ用途での実用
性に限界を与えている。
【０１１７】
本発明は、本発明のAlInNAs/AlN材料がAlNとほぼ等しい格子定数を有するとい
う点で上記の限界をほぼ克服する。既に述べたように、In含有率（ｘ）及びAs含
有率（ｙ）が0<=x<=1、0<=y<=1、x/0.1+y/0.02<=1、3.11(1-x)(1-y)+4(1-x)y+3.
54x(1-y)+4.28xyがほぼ３．１８に等しいという関係を満たすとき、Al1-xInxN1- y Asyの４元材料系は５．５ｅＶより大きいバンドギャップを持つだけでなく、Al
Nとほぼ等しい格子定数を有する。これにより、様々な層内でほぼ均一な原子含
有率分布を有するＦＥＴ等の半導体構造が製造可能になる。したがって、Inモル
分率ｘ及びAsモル分率ｙが上記の関係を満たす本発明にかかるAlInNAs/AlN材料
系を使用することにより、欠陥密度の低い高出力高温トランジスタを実現するこ
とができる。
う点で上記の限界をほぼ克服する。既に述べたように、In含有率（ｘ）及びAs含
有率（ｙ）が0<=x<=1、0<=y<=1、x/0.1+y/0.02<=1、3.11(1-x)(1-y)+4(1-x)y+3.
54x(1-y)+4.28xyがほぼ３．１８に等しいという関係を満たすとき、Al1-xInxN1- y Asyの４元材料系は５．５ｅＶより大きいバンドギャップを持つだけでなく、Al
Nとほぼ等しい格子定数を有する。これにより、様々な層内でほぼ均一な原子含
有率分布を有するＦＥＴ等の半導体構造が製造可能になる。したがって、Inモル
分率ｘ及びAsモル分率ｙが上記の関係を満たす本発明にかかるAlInNAs/AlN材料
系を使用することにより、欠陥密度の低い高出力高温トランジスタを実現するこ
とができる。
【０１１８】
図３６Ａに、本発明にかかるAlInNAs/AlN材料を用いたヘテロ接合電界効果ト
ランジスタ（ＨＦＥＴ）の典型的な実施形態を示す。AlN基板２５２０上には、
０．５μｍ厚のi-AlInNAs層２５２５が形成され、その次に、薄い約１０ｎｍ厚
のAlInNAs導電用チャンネル層２５３０と１０ｎｍ厚のAlN層２５３５が形成され
ている。ソース電極及びドレイン電極２５４０Ａ、２５４０Ｂとゲート電極２５
４５が従来の方法で形成されている。この構造において、AlInNAs層のIn含有率
ｘ及びAs含有率ｙはそれぞれ０．０５及び０．０１に設定されている。この場合
、ｘとｙの値は0<=x<=1、0<=y<=1、x/0.1+y/0.02<=1、3.11(1-x)(1-y)+4(1-x)y+
3.54x(1-y)+4.28xyがほぼ３．１１に等しいという関係を満たしている。これに
より、実質的に相分離がなくAlNとほぼ等しい格子定数を有するAlInNAs層が得ら
れる。ひいては、AlInNAs層とAlN層のヘテロ界面に形成された２次元電子ガスが
（欠陥が存在する場合に発生するような）AlInNAs層の原子含有率の揺らぎによ
って散乱されることがないために、高い電子速度を達成することができる。さら
に、AlInNAsのバンドギャップは５．５ｅＶより大きいので、図３６Ａに示す構
造を使用することにより信頼性のある高温動作を実現することができる。
ランジスタ（ＨＦＥＴ）の典型的な実施形態を示す。AlN基板２５２０上には、
０．５μｍ厚のi-AlInNAs層２５２５が形成され、その次に、薄い約１０ｎｍ厚
のAlInNAs導電用チャンネル層２５３０と１０ｎｍ厚のAlN層２５３５が形成され
ている。ソース電極及びドレイン電極２５４０Ａ、２５４０Ｂとゲート電極２５
４５が従来の方法で形成されている。この構造において、AlInNAs層のIn含有率
ｘ及びAs含有率ｙはそれぞれ０．０５及び０．０１に設定されている。この場合
、ｘとｙの値は0<=x<=1、0<=y<=1、x/0.1+y/0.02<=1、3.11(1-x)(1-y)+4(1-x)y+
3.54x(1-y)+4.28xyがほぼ３．１１に等しいという関係を満たしている。これに
より、実質的に相分離がなくAlNとほぼ等しい格子定数を有するAlInNAs層が得ら
れる。ひいては、AlInNAs層とAlN層のヘテロ界面に形成された２次元電子ガスが
（欠陥が存在する場合に発生するような）AlInNAs層の原子含有率の揺らぎによ
って散乱されることがないために、高い電子速度を達成することができる。さら
に、AlInNAsのバンドギャップは５．５ｅＶより大きいので、図３６Ａに示す構
造を使用することにより信頼性のある高温動作を実現することができる。
【０１１９】
同様に、図３６Ｂは本発明にかかるヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢ
Ｔ）の実施形態を示す。AlN基板２５５０上には、４００ｎｍ厚のｎ型AlNコレク
タ層２５５５が形成され、その次に、５０ｎｍ厚のｐ型AlInNAsベース層２５６
０と３００ｎｍ厚のｎ型AlNエミッタ層２５６５が形成されている。ベース電極
２５７０、コレクタ電極２５７５及びエミッタ電極２５８０が従来の方法で形成
されている。図３６Ａと同様に、図３６Ｂの実施形態では、AlInNAs層のIn含有
率ｘ及びAs含有率ｙはそれぞれ０．０５及び０．０１に設定されており、ｘとｙ
は上記と同じ関係を満たす必要がある。図３６Ａと同様に、大きな相分離がなく
AlNとほぼ等しい格子定数を有するAlInNAs層が実現され、その結果、非常に高品
質のAlInNAs/GaNヘテロ接合が得られる。さらに、AlNエミッタ層のバンドギャッ
プ（６．２ｅＶ）はAlInNAsベース層のバンドギャップ（５．８ｅＶ）より大き
いので、ｐ型ベース層に発生した正孔がこのベース層内にうまく閉じ込められる
。これは、AlNホモ接合バイポーラトランジスタにおいて発生するよりも大きな
価電子帯不連続がAlNとAlInNAsとの間に発生することに起因する。このことは、
ベース電流に比べて電流増幅が大きいコレクタ電流が得られるという利点をもた
らす。さらに、上述したように、AlInNAsとAlN層のバンドギャップは大きいので
、トランジスタを高温での用途に信頼性を持って利用することができる。
Ｔ）の実施形態を示す。AlN基板２５５０上には、４００ｎｍ厚のｎ型AlNコレク
タ層２５５５が形成され、その次に、５０ｎｍ厚のｐ型AlInNAsベース層２５６
０と３００ｎｍ厚のｎ型AlNエミッタ層２５６５が形成されている。ベース電極
２５７０、コレクタ電極２５７５及びエミッタ電極２５８０が従来の方法で形成
されている。図３６Ａと同様に、図３６Ｂの実施形態では、AlInNAs層のIn含有
率ｘ及びAs含有率ｙはそれぞれ０．０５及び０．０１に設定されており、ｘとｙ
は上記と同じ関係を満たす必要がある。図３６Ａと同様に、大きな相分離がなく
AlNとほぼ等しい格子定数を有するAlInNAs層が実現され、その結果、非常に高品
質のAlInNAs/GaNヘテロ接合が得られる。さらに、AlNエミッタ層のバンドギャッ
プ（６．２ｅＶ）はAlInNAsベース層のバンドギャップ（５．８ｅＶ）より大き
いので、ｐ型ベース層に発生した正孔がこのベース層内にうまく閉じ込められる
。これは、AlNホモ接合バイポーラトランジスタにおいて発生するよりも大きな
価電子帯不連続がAlNとAlInNAsとの間に発生することに起因する。このことは、
ベース電流に比べて電流増幅が大きいコレクタ電流が得られるという利点をもた
らす。さらに、上述したように、AlInNAsとAlN層のバンドギャップは大きいので
、トランジスタを高温での用途に信頼性を持って利用することができる。
【０１２０】
次に、図３７に、本発明のフォトトランジスタとしての実施例を示す。この点
に関して、GaNとAlNは広いバンドギャップ（GaNの場合、３５０ｎｍの光の波長
に相当する３．５ｅＶ、AlNの場合、２００ｎｍの光の波長に相当する６．２ｅ
Ｖ）を有するので、GaNとAlNは紫外光領域の光検出器にとって魅力的な材料であ
る。直接バンドギャップとAlN合金の組成範囲全体の中でのAlGaNの可用性のため
に、AlGaN/GaNによる可視光検出器は、高遮断波長が調整可能であるとともに、
量子効率が高いという利点をもたらす。しかしながら、AlGaNの格子定数は欠陥
が形成されやすいほどGaNと異なっており、漏れ電流を増加させることになる。I
n含有率（ｘ）及びAs含有率（ｙ）が0<=x<=1、0<=y<=1、x/0.1+y/0.02<=1の関係
を満たすAl1-xInxN1-yAsyは、５．５ｅＶより大きいバンドギャップを提供する
だけでなく、各層内に同じ原子含有率分布で形成することができるので、AlInNA
s材料を可視光検出器用途に利用することも可能である。さらに、In含有率ｘ及
びAs含有率ｙが3.11(1-x)(1-y)+4(1-x)y+ 3.54x(1-y)+4.28xyがほぼ３．１１に
等しいという関係を満たすAl1-xInxN1-yAsyの４元材料は、AlNとほぼ等しい格子
定数と５．５ｅＶより大きいバンドギャップを有する。したがって、In含有率ｘ
及びAs含有率ｙが上記の関係を満たすAlInNAs/AlN材料を使用することにより、
欠陥密度の低いＵＶ光検出器を実現することができる。他の周波数の検出が必要
な場合には、わずかな変更しか必要としない。
に関して、GaNとAlNは広いバンドギャップ（GaNの場合、３５０ｎｍの光の波長
に相当する３．５ｅＶ、AlNの場合、２００ｎｍの光の波長に相当する６．２ｅ
Ｖ）を有するので、GaNとAlNは紫外光領域の光検出器にとって魅力的な材料であ
る。直接バンドギャップとAlN合金の組成範囲全体の中でのAlGaNの可用性のため
に、AlGaN/GaNによる可視光検出器は、高遮断波長が調整可能であるとともに、
量子効率が高いという利点をもたらす。しかしながら、AlGaNの格子定数は欠陥
が形成されやすいほどGaNと異なっており、漏れ電流を増加させることになる。I
n含有率（ｘ）及びAs含有率（ｙ）が0<=x<=1、0<=y<=1、x/0.1+y/0.02<=1の関係
を満たすAl1-xInxN1-yAsyは、５．５ｅＶより大きいバンドギャップを提供する
だけでなく、各層内に同じ原子含有率分布で形成することができるので、AlInNA
s材料を可視光検出器用途に利用することも可能である。さらに、In含有率ｘ及
びAs含有率ｙが3.11(1-x)(1-y)+4(1-x)y+ 3.54x(1-y)+4.28xyがほぼ３．１１に
等しいという関係を満たすAl1-xInxN1-yAsyの４元材料は、AlNとほぼ等しい格子
定数と５．５ｅＶより大きいバンドギャップを有する。したがって、In含有率ｘ
及びAs含有率ｙが上記の関係を満たすAlInNAs/AlN材料を使用することにより、
欠陥密度の低いＵＶ光検出器を実現することができる。他の周波数の検出が必要
な場合には、わずかな変更しか必要としない。
【０１２１】
図３７に示すように、本発明の半導体装置は、AlInNAs/AlN材料を使用してヘ
テロ接合フォトトランジスタ（ＨＰＴ）の形で実施可能である。AlN基板２７０
０上には、ｎ型AlNコレクタ層２７０５がおよそ５００ｎｍ厚に形成され、その
次に、２００ｎｍ厚のｐ型AlInNAsベース層２７１０が形成されている。その後
、およそ５００ｎｍ厚のAlNエミッタ層２７１５が形成されている。エミッタ層
の上には、光がベース層に当たるようにリング状の電極２７２０が形成されてい
る。
テロ接合フォトトランジスタ（ＨＰＴ）の形で実施可能である。AlN基板２７０
０上には、ｎ型AlNコレクタ層２７０５がおよそ５００ｎｍ厚に形成され、その
次に、２００ｎｍ厚のｐ型AlInNAsベース層２７１０が形成されている。その後
、およそ５００ｎｍ厚のAlNエミッタ層２７１５が形成されている。エミッタ層
の上には、光がベース層に当たるようにリング状の電極２７２０が形成されてい
る。
【０１２２】
典型的な構造では、AlInNAs層のIn含有率ｘ及びAs含有率ｙはそれぞれ０．０
５及び０．０１に設定される。この場合、ｘとｙの値は0<=x<=1、0<=y<=1、x/0.
1+y/0.02<=1、3.11(1-x)(1-y)+4(1-x)y+3.54x(1-y)+4.28xyがほぼ３．１１に等
しいという関係を満たすので、AlInNAs層をAlNと等しい格子定数を持ちながら相
分離をほぼ回避するように形成して、高品質のAlInNAs/AlNヘテロ接合を形成す
ることが可能になる。AlNエミッタ層のバンドギャップ（２００ｎｍの光の波長
に相当する６．２ｅＶ）はAlInNAsベース層のバンドギャップ（２１０ｎｍの光
の波長に相当する５．８ｅＶ）よりも大きい。光はエミッタ側に照射される。図
示の実施形態の場合、２００ｎｍと２１０ｎｍの間の波長範囲の照射光はエミッ
タ層を透過するので、AlInNAsベース層に吸収されて電子と正孔の対を発生させ
る。AlNとAlInNAsとの間の価電子帯の不連続が従来のAlNホモ接合フォトトラン
ジスタの場合よりも大きいので、ｐ型ベース層の光吸収によって生成された正孔
はベース層にうまく閉じ込められる。これにより、より大きなエミッタ電流が誘
導されることになり、ホモ接合フォトトランジスタの場合よりも優れた電子中和
がベース領域にもたらされる。したがって、高量子効率かつ高感度、及びその結
果として入射光からコレクタ電流への高変換効率を有する青色光検出器が得られ
る。
５及び０．０１に設定される。この場合、ｘとｙの値は0<=x<=1、0<=y<=1、x/0.
1+y/0.02<=1、3.11(1-x)(1-y)+4(1-x)y+3.54x(1-y)+4.28xyがほぼ３．１１に等
しいという関係を満たすので、AlInNAs層をAlNと等しい格子定数を持ちながら相
分離をほぼ回避するように形成して、高品質のAlInNAs/AlNヘテロ接合を形成す
ることが可能になる。AlNエミッタ層のバンドギャップ（２００ｎｍの光の波長
に相当する６．２ｅＶ）はAlInNAsベース層のバンドギャップ（２１０ｎｍの光
の波長に相当する５．８ｅＶ）よりも大きい。光はエミッタ側に照射される。図
示の実施形態の場合、２００ｎｍと２１０ｎｍの間の波長範囲の照射光はエミッ
タ層を透過するので、AlInNAsベース層に吸収されて電子と正孔の対を発生させ
る。AlNとAlInNAsとの間の価電子帯の不連続が従来のAlNホモ接合フォトトラン
ジスタの場合よりも大きいので、ｐ型ベース層の光吸収によって生成された正孔
はベース層にうまく閉じ込められる。これにより、より大きなエミッタ電流が誘
導されることになり、ホモ接合フォトトランジスタの場合よりも優れた電子中和
がベース領域にもたらされる。したがって、高量子効率かつ高感度、及びその結
果として入射光からコレクタ電流への高変換効率を有する青色光検出器が得られ
る。
【０１２３】
図３７のフォトトランジスタに加えて、本発明に従ってフォトダイオードを実
現することも可能である。図３８では、ｎ型基板２９００が設けられており、そ
の上にAl1-xInxN1-yAsy４元材料または等価物からなるｎ型層２９１０が形成さ
れ、この層は図３７に関連して上述した関係に従っている。その後、活性層２９
１５が形成され、その上方には、ｐ型Al1-xInxN1-yAsy４元材料からなる層２９
２０が形成されている。そして、この層２９２０の上方に、ｐ型第２クラッド層
２９２５が形成され、そこには、層２９２０の一部を露出させるようにウィンド
ウ２９３０が形成されている。ウィンドウ２９３０は光を層２９２０に当てるこ
とができる入口となって正孔を発生させる。従来の方法で一対の電極２９３５、
２９４０が形成されてもよく、その場合、電極２９３５は、通常、ウィンドウ２
９３０周りのリング状の電極である。第２クラッド層２９２５のバンドギャップ
は層２９２０のバンドギャップよりも大きいことが好ましく、さらに、層２９２
０のバンドギャップは活性層２９１５のバンドギャップよりも大きいことが好ま
しいことが理解できる。そのような手法によれば、最大限広い範囲の光の波長に
対して感度がよくなる。より狭い波長範囲が望ましい場合には、層２９２０より
も小さなバンドギャップを有する材料を層２９２５に対して使用してもよい。さ
らに、層２９１０、２９１５、２９２０は、少なくともいくつかの場合には、適
正な光電性ｐｎ接合を提供するので、全ての実施形態に層２９２５を含ませる必
要はない。
現することも可能である。図３８では、ｎ型基板２９００が設けられており、そ
の上にAl1-xInxN1-yAsy４元材料または等価物からなるｎ型層２９１０が形成さ
れ、この層は図３７に関連して上述した関係に従っている。その後、活性層２９
１５が形成され、その上方には、ｐ型Al1-xInxN1-yAsy４元材料からなる層２９
２０が形成されている。そして、この層２９２０の上方に、ｐ型第２クラッド層
２９２５が形成され、そこには、層２９２０の一部を露出させるようにウィンド
ウ２９３０が形成されている。ウィンドウ２９３０は光を層２９２０に当てるこ
とができる入口となって正孔を発生させる。従来の方法で一対の電極２９３５、
２９４０が形成されてもよく、その場合、電極２９３５は、通常、ウィンドウ２
９３０周りのリング状の電極である。第２クラッド層２９２５のバンドギャップ
は層２９２０のバンドギャップよりも大きいことが好ましく、さらに、層２９２
０のバンドギャップは活性層２９１５のバンドギャップよりも大きいことが好ま
しいことが理解できる。そのような手法によれば、最大限広い範囲の光の波長に
対して感度がよくなる。より狭い波長範囲が望ましい場合には、層２９２０より
も小さなバンドギャップを有する材料を層２９２５に対して使用してもよい。さ
らに、層２９１０、２９１５、２９２０は、少なくともいくつかの場合には、適
正な光電性ｐｎ接合を提供するので、全ての実施形態に層２９２５を含ませる必
要はない。
【０１２４】
本発明の好ましい実施形態と様々な代替物について説明したが、当業者であれ
ば、本明細書中の教示を与えられると、本発明から逸脱することなく多数の代替
物及び等価物が存在することが理解できるであろう。したがって、本発明は上記
の説明によって限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定され
るものである。
ば、本明細書中の教示を与えられると、本発明から逸脱することなく多数の代替
物及び等価物が存在することが理解できるであろう。したがって、本発明は上記
の説明によって限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定され
るものである。
【図１】
従来の３元材料系を用いた従来技術のレーザダイオード構造を示す。
【図２】
本発明の第１の実施形態にかかる半導体構造を断面図で示す。
【図３】
図１の構造にかかるレーザダイオードの光−電流特性のグラフを示す。
【図４】
本発明の第１の実施形態にかかる半導体構造に関する典型的な一連の製造工程
を示す。
を示す。
【図５】
第２の実施形態にかかる半導体構造を断面図で示す。
【図６】
図４の構造にかかるレーザダイオードの光−電流特性のグラフを示す。
【図７】
本発明の第１の実施形態にかかる半導体構造に関する典型的な一連の製造工程
を示す。
を示す。
【図８】
第３の実施形態の半導体レーザダイオードの断面図である。
【図９】
第３の実施形態のレーザダイオードの光−電流特性を示す。
【図１０】
第３の実施形態の一実験例における半導体レーザダイオードの一連の製造工程
を示す。
を示す。
【図１１】
第４の実施形態の半導体レーザダイオードの断面図である。
【図１２】
第４の実施形態のレーザダイオードの光−電流特性を示す。
【図１３】
第４の実施形態の一実験例における半導体レーザダイオードの一連の製造工程
を示す。
を示す。
【図１４】
様々な成長温度において相分離領域と相分離のない領域との間の境界をプロッ
ト形式で示す。
ト形式で示す。
【図１５】
約１０００℃より低い成長温度で相分離を回避するためのInGaAlNにおけるGa
含有率とAl含有率の含有率選択領域を示す。
含有率とAl含有率の含有率選択領域を示す。
【図１６】
GaNの格子定数とほぼ等価のInGaAlNの格子定数を生じると同時に、約１０００
℃より低い成長温度での相分離を回避するためのInGaAlNにおけるGa含有率とAl
含有率の含有率選択線を示す。
℃より低い成長温度での相分離を回避するためのInGaAlNにおけるGa含有率とAl
含有率の含有率選択線を示す。
【図１７】
(Ａ)及び(Ｂ)は本発明の材料系にしたがって構成されたバイポーラ及びＦＥＴ
トランジスタの図を示す。
トランジスタの図を示す。
【図１８】
フォトトランジスタとしての本発明の実施例を示す。
【図１９】
フォトダイオードとしての本発明の実施例を示す。
【図２０】
本発明の第５の実施形態にかかる半導体構造を断面図で示す。
【図２１】
本発明の第５の実施形態にかかる半導体構造に関する典型的な一連の製造工程
を示す。
を示す。
【図２２】
第６の実施形態にかかる半導体構造を断面図で示す。
【図２３】
本発明の第６の実施形態にかかる半導体構造に関する典型的な一連の製造工程
を示す。
を示す。
【図２４】
様々な成長温度において相分離領域と相分離のない領域との間の境界をプロッ
ト形式で示す。
ト形式で示す。
【図２５】
約１０００℃より低い成長温度で相分離を回避するためのInGaNAsにおけるGa
含有率とAs含有率の含有率選択領域を示す。
含有率とAs含有率の含有率選択領域を示す。
【図２６】
GaNの格子定数とほぼ等価のInGaNAsの格子定数を生じると同時に、約１０００
℃より低い成長温度での相分離を回避するためのInGaNAsにおけるGa含有率とAs
含有率の含有率選択線を示す。
℃より低い成長温度での相分離を回避するためのInGaNAsにおけるGa含有率とAs
含有率の含有率選択線を示す。
【図２７】
(Ａ)及び(Ｂ)は本発明の材料系にしたがって構成されたバイポーラ及びＦＥＴ
トランジスタの図を示す。
トランジスタの図を示す。
【図２８】
フォトトランジスタとしての本発明の実施例を示す。
【図２９】
フォトダイオードとしての本発明の実施例を示す。
【図３０】
本発明の第７の実施形態にかかる半導体構造を断面図で示す。
【図３１】
本発明の第７の実施形態にかかる半導体構造に関する典型的な一連の製造工程
を示す。
を示す。
【図３２】
第８の実施形態にかかる半導体構造を断面図で示す。
【図３３】
本発明の第８の実施形態にかかる半導体構造に関する典型的な一連の製造工程
を示す。
を示す。
【図３４】
様々な成長温度において相分離領域と相分離のない領域との間の境界をプロッ
ト形式で示す。
ト形式で示す。
【図３５】
約１０００℃より低い成長温度で相分離を回避するためのAlInNAsにおけるIn
含有率とAs含有率の含有率選択領域を示す。
含有率とAs含有率の含有率選択領域を示す。
【図３６】
(Ａ)及び(Ｂ)は本発明の材料系にしたがって構成されたバイポーラ及びＦＥＴ
トランジスタの図を示す。
トランジスタの図を示す。
【図３７】
フォトトランジスタとしての本発明の実施例を示す。
【図３８】
フォトダイオードとしての本発明の実施例を示す。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１４年３月１８日（２００２．３．１８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｌ 29/812
(72)発明者 ジェームズ エス．ハリス ジュニア
アメリカ合衆国 カリフォルニア州
94035，スタンフォード，エスプラナーダ
ウェイ 763
Ｆターム(参考） 5F003 AP08 BA92 BE90 BF06 BG06
BM03
5F052 JA05 JA08 JA10 KA01 KA10
5F073 AA04 AA13 AA74 BA05 CA02
CA17 CB02 DA05 DA06 DA35
EA23 EA24 EA28 EA29
5F102 FA00 GB01 GC01 GJ04 GK04
GL04 GM04 HC01
Claims (50)
- 【請求項１】 第１導電型のGaAlNAs材料からなる第１のクラッド層と、 GaAlNAs活性層と、 上記第１導電型とは逆の導電型のGaAlNAs材料からなる第２のクラッド層とを
備え、 上記各層の構成成分のモル分率が相分離を最小限に抑えるよう選択されている
半導体構造。 - 【請求項２】 第１導電型のGaAlNAs材料からなる第１のクラッド層と、 GaAlNAs活性層と、 上記第１導電型とは逆の導電型のGaAlNAs材料からなる第２のクラッド層とを
備え、 上記各層の構成成分の結晶成長温度とモル分率が相分離を最小限に抑えるよう
選択されている半導体構造。 - 【請求項３】 上記全ての構成層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.18(1-x
)(1-y) +3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xyが一定の値にほぼ等しいという条件を満た
している請求項１記載の半導体構造。 - 【請求項４】 上記全ての構成層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.18(1-x
)(1-y) +3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xyがほぼ３．１８に等しいという条件を満た
している請求項１記載の半導体構造。 - 【請求項５】 相分離のない、第１導電型の第１のGaAlNAsクラッド層と、
相分離のないGaAlNAs活性層と、相分離がなく、リッジ構造を有する第２導電型
の第２のGaAlNAsクラッド層とを備え、上記全ての層は順次積層されてなってい
る発光素子。 - 【請求項６】 上記全ての構成層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.18(1-x
)(1-y) +3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xyが一定の値にほぼ等しいという条件を満た
している請求項５記載の発光素子。 - 【請求項７】 上記全ての構成層のAl含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.18(1-x
)(1-y) +3.99(1-x)y+3.11x(1-y)+4xyがほぼ３．１８に等しいという条件を満た
している請求項５記載の発光素子。 - 【請求項８】 ある導電型の第１のGa1-x1Alx1N1-y1Asy1クラッド層と、Ga1 -x2 Alx2N1-y2Asy2活性層と、逆の導電型の第２のGa1-x3Alx3N1-y3Asy3クラッド
層とを順次積層形成された状態で備えており、x1、x2及びx3はAl含有率を示し、
y1、y2及びy3はAs含有率を示し、x1、y1、x2、y2、x3及びy3は、EgGaN、EgGaAs
、EgAlN及びEgAlAsがそれぞれGaN、GaAs、AlN、及びAlAsのバンドギャップエネ
ルギーであるとき、0<x1<1、0<x2<1、0<x3<1、0<y1<1、0<y2<1、0<y3<1、0.26x1
+37y1<=1、0.26x2+37y2<=1、0.26x3+37y3<=1、EgGaN(1-x1)(1-y1) + EgGaAs(1-x
1)y1 + EgAlNx1(1-y1) + EgAlAsx1y1 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1-x2)y2 +
EgAlNx2(1-y2) + EgAlAsx2y2、及びEgGaN(1-x3)(1-y3) + EgGaAs(1-x3)y3 + Eg AlN x3(1-y3) + EgAlAsx3y3 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(1-x2)y2 + EgAlNx2(
1-y2) + EgAlAsx2y2の関係を有している半導体構造。 - 【請求項９】 上記活性層は、その全構成層のAl含有率ｘｗ及びAs含有率ｙ
ｗが0<xw<1、0<yw<1及び0.26xw+37yw<=1の関係を満たすGaAlNAs単一あるいは多
重量子井戸活性層である請求項８記載の発光素子。 - 【請求項１０】 ｘｓとｙｓが上記各構成層においてそれぞれAl含有率とAs
含有率であるとき、3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)ys+3.11xs(1-ys)+4xsysがほぼ
一定の値に等しいという条件が満たされている請求項８記載の半導体構造。 - 【請求項１１】 ｘｓとｙｓが上記各構成層においてそれぞれAl含有率とAs
含有率であるとき、3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)ys+3.11xs(1-ys)+4xsysがほぼ
３．１８に等しいという条件が満たされている請求項８記載の半導体構造。 - 【請求項１２】 ある導電型の第１のGa1-x1Alx1N1-y1Asy1クラッド層と、G
a1-x2Alx2N1-y2Asy2活性層と、リッジ構造を有する逆の導電型の第２のGa1-x3Al x3 N1-y3Asy3クラッド層とを順次積層形成された状態で備えており、x1、x2及びx
3はAl含有率を示し、y1、y2及びy3はAs含有率を示し、x1、y1、x2、y2、x3及びy
3は、EgGaN、EgGaAs、EgAlN及びEgAlAsがそれぞれGaN、GaAs、AlN、及びAlAsの
バンドギャップエネルギーであるとき、0<x1<1、0<x2<1、0<x3<1、0<y1<1、0<y2
<1、0<y3<1、0.26x1+37y1<=1、0.26x2+37y2<=1、0.26x3+37y3<=1、EgGaN(1-x1)(
1-y1) + EgGaAs(1-x1)y1 + EgAlNx1(1-y1) + EgAlAsx1y1 > EgGaN(1-x2)(1-y2)
+ EgGaAs(1-x2)y2 + EgAlNx2(1-y2) + EgAlAsx2y2、及びEgGaN(1-x3)(1-y3) + E
gGaAs(1-x3)y3 + EgAlNx3(1-y3) + EgAlAsx3y3 > EgGaN(1-x2)(1-y2) + EgGaAs(
1-x2)y2 + EgAlNx2(1-y2) + EgAlAsx2y2の関係を有している発光素子。 - 【請求項１３】 上記GaAlNAs活性層は、その全構成層のAl含有率ｘｗ及びA
s含有率ｙｗが0<xw<1、0<yw<1及び0.26xw+37yw<=1の関係を満たすGaAlNAs単一あ
るいは多重量子井戸活性層である請求項１２記載の発光素子。 - 【請求項１４】 ｘｓとｙｓが上記各構成層においてそれぞれAl含有率とAs
含有率であるとき、3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)ys+3.11xs(1-ys)+4xsysがほぼ
一定の値に等しいという条件が満たされている請求項１２記載の発光素子。 - 【請求項１５】 ｘｓとｙｓが上記各構成層においてそれぞれAl含有率とAs
含有率であるとき、3.18(1-xs)(1-ys)+3.99(1-xs)ys+3.11xs(1-ys)+4xsysがほぼ
３．１８に等しいという条件が満たされている請求項１２記載の発光素子。 - 【請求項１６】 第１導電型のInGaNAs材料からなる第１のクラッド層と、 InGaNAs活性層と、 上記第１導電型とは逆の導電型のInGaNAs材料からなる第２のクラッド層とを
備え、 上記各層の構成成分のモル分率が相分離を最小限に抑えるよう選択されている
半導体構造。 - 【請求項１７】 第１導電型のInGaNAs材料からなる第１のクラッド層と、 InGaNAs活性層と、 上記第１導電型とは逆の導電型のInGaNAs材料からなる第２のクラッド層とを
備え、 上記各層の構成成分の結晶成長温度とモル分率が相分離を最小限に抑えるよう
選択されている半導体構造。 - 【請求項１８】 上記全ての構成層のGa含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.54(1
-x)(1-y)+4.28(1-x)y+3.18x(1-y)+4xyが一定の値にほぼ等しいという条件を満た
している請求項１６記載の半導体構造。 - 【請求項１９】 上記全ての構成層のGa含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.54(1
-x)(1-y)+4.28(1-x)y+3.18x(1-y)+4xyがほぼ３．１８に等しいという条件を満た
している請求項１６記載の半導体構造。 - 【請求項２０】 相分離のない、第１導電型の第１のInGaNAsクラッド層と
、相分離のないInGaNAs活性層と、相分離がなく、リッジ構造を有する第２導電
型の第２のInGaNAsクラッド層とを備え、上記全ての層は順次積層されてなって
いる発光素子。 - 【請求項２１】 上記全ての構成層のGa含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.54(1
-x)(1-y)+4.28(1-x)y+3.18x(1-y)+4xyが一定の値にほぼ等しいという条件を満た
している請求項２０記載の発光素子。 - 【請求項２２】 上記全ての構成層のGa含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.54(1
-x)(1-y)+4.28(1-x)y+3.18x(1-y)+4xyがほぼ３．１８に等しいという条件を満た
している請求項２０記載の発光素子。 - 【請求項２３】 ある導電型の第１のIn1-x1Gax1N1-y1Asy1クラッド層と、I
n1-x2Gax2N1-y2Asy2活性層と、逆の導電型の第２のIn1-x3Gax3N1-y3Asy3クラッ
ド層とを順次積層形成された状態で備えており、x1、x2及びx3はGa含有率を示し
、y1、y2及びy3はAs含有率を示し、x1、y1、x2、y2、x3及びy3は、EgGaN、EgGaA
s、EgInN及びEgInAsがそれぞれGaN、GaAs、InN、及びInAsのバンドギャップエネ
ルギーであるとき、0<=x1<=1、0<x2<1、0<=x3<=1、0<=y1<=1、0<y2<1、0<=y3<=1
、x1/0.2+ y1/0.9<=1または1.25x1-8.33y1>=1、x2/0.2+ y2/0.9<=1または1.25x2
-8.33y2>=1、x3/0.2+ y3/0.9<=1または1.25x3-8.33y3>=1、EgInN(1-x1)(1-y1) +
EgInAs(1-x1)y1 + EgGaNx1(1-y1) + EgGaAsx1y1 > EgInN(1-x2)(1-y2) + EgInA
s(1-x2)y2 + EgGaNx2(1-y2) + EgGaAsx2y2、及びEgInN(1-x3)(1-y3) + EgInAs(1
-x3)y3 + EgGaNx3(1-y3) + EgGaAsx3y3 > EgInN(1-x2)(1-y2) + EgInAs(1-x2)y2
+ EgGaNx2(1-y2) + EgGaAsx2y2の関係を有している半導体構造。 - 【請求項２４】 上記活性層は、その全構成層のGa含有率ｘｗ及びAs含有率
ｙｗが0<xw<1、0<yw<1、及びxw/0.2+yw/0.9<=1または1.25xw-8.33yw>=1の関係を
満たすInGaNAs単一または多重量子井戸活性層である請求項２３記載の発光素子
。 - 【請求項２５】 ｘｓとｙｓが上記各構成層においてそれぞれGa含有率とAs
含有率であるとき、3.54(1-xs)(1-ys)+4.28(1-xs)ys+3.18xs(1-ys)+4xsysがほぼ
一定の値に等しいという条件が満たされている請求項２３記載の半導体構造。 - 【請求項２６】 ｘｓとｙｓが上記各構成層においてそれぞれGa含有率とAs
含有率であるとき、3.54(1-xs)(1-ys)+4.28(1-xs)ys+3.18xs(1-ys)+4xsysがほぼ
３．１８に等しいという条件が満たされている請求項２３記載の半導体構造。 - 【請求項２７】 ある導電型の第１のIn1-x1Gax1N1-y1Asy1クラッド層と、I
n1-x2Gax2N1-y2Asy2活性層と、リッジ構造を有する逆の導電型の第２のIn1-x3Ga x3 N1-y3Asy3クラッド層とを順次積層形成された状態で備えており、x1、x2及びx
3はGa含有率を示し、y1、y2及びy3はAs含有率を示し、x1、y1、x2、y2、x3及びy
3は、EgGaN、EgGaAs、EgInN及びEgInAsがそれぞれGaN、GaAs、InN、及びInAsの
バンドギャップエネルギーであるとき、0<=x1<=1、0<x2<1、0<=x3<=1、0<=y1<=1
、0<y2<1、0<=y3<=1、x1/0.2+ y1/0.9<=1または1.25x1-8.33y1>=1、x2/0.2+ y2/
0.9<=1または1.25x2-8.33y2>=1、x3/0.2+ y3/0.9<=1または1.25x3-8.33y3>=1、E
gInN(1-x1)(1-y1) + EgInAs(1-x1)y1 + EgGaNx1(1-y1) + EgGaAsx1y1 > EgInN(1
-x2)(1-y2) + EgInAs(1-x2)y2 + EgGaNx2(1-y2) + EgGaAsx2y2、及びEgInN(1-x3
)(1-y3) + EgInAs(1-x3)y3 + EgGaNx3(1-y3) + EgGaAsx3y3 > EgInN(1-x2)(1-y2
) + EgInAs(1-x2)y2 + EgGaNx2(1-y2) + EgGaAsx2y2の関係を有している発光素
子。 - 【請求項２８】 上記InGaNAs活性層は、その全構成層のGa含有率ｘｗ及びA
s含有率ｙｗが0<xw<1、0<yw<1、及びxw/0.2+yw/0.9<=1または1.25xw-8.33yw>=1
の関係を満たすInGaNAs単一または多重量子井戸活性層である請求項２７記載の
発光素子。 - 【請求項２９】 ｘｓとｙｓが上記各構成層においてそれぞれGa含有率とAs
含有率であるとき、3.54(1-xs)(1-ys)+4.28(1-xs)ys+3.18xs(1-ys)+4xsysがほぼ
一定の値に等しいという条件が満たされている請求項２７記載の発光素子。 - 【請求項３０】 ｘｓとｙｓが上記各構成層においてそれぞれGa含有率とAs
含有率であるとき、3.54(1-xs)(1-ys)+4.28(1-xs)ys+3.18xs(1-ys)+4xsysがほぼ
３．１８に等しいという条件が満たされている請求項２７記載の発光素子。 - 【請求項３１】 第１導電型のAlInNAs材料からなる第１のクラッド層と、 AlInNAs活性層と、 上記第１導電型とは逆の導電型のAlInNAs材料からなる第２のクラッド層とを
備え、 上記各層の構成成分のモル分率が相分離を最小限に抑えるよう選択されている
半導体構造。 - 【請求項３２】 第１導電型のAlInNAs材料からなる第１のクラッド層と、 AlInNAs活性層と、 上記第１導電型とは逆の導電型のAlInNAs材料からなる第２のクラッド層とを
備え、 上記各層の構成成分の結晶成長温度とモル分率が相分離を最小限に抑えるよう
選択されている半導体構造。 - 【請求項３３】 上記全ての構成層のIn含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.11(1
-x)(1-y) +4(1-x)y+3.54x(1-y)+4.28xyがほぼ一定の値に等しいという条件を満
たしている請求項３２記載の半導体構造。 - 【請求項３４】 上記全ての構成層のIn含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.11(1
-x)(1-y) +4(1-x)y+3.54x(1-y)+4.28xyがほぼ３．１１に等しいという条件を満
たしている請求項３２記載の半導体構造。 - 【請求項３５】 相分離のない、第１導電型の第１のAlInNAsクラッド層と
、相分離のないAlInNAs活性層と、相分離がなく、リッジ構造を有する第２導電
型の第２のAlInNAsクラッド層とを備え、上記全ての層は順次積層されてなって
いる発光素子。 - 【請求項３６】 上記全ての構成層のIn含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.11(1
-x)(1-y) +4(1-x)y+3.54x(1-y)+4.28xyがほぼ一定の値に等しいという条件を満
たしている請求項３５記載の発光素子。 - 【請求項３７】 上記全ての構成層のIn含有率ｘ及びAs含有率ｙが、3.54(1
-x)(1-y) +4.28(1-x)y+3.18x(1-y)+4xyがほぼ３．１１に等しいという条件を満
たしている請求項３５記載の発光素子。 - 【請求項３８】 ある導電型の第１のAl1-x1Inx1N1-y1Asy1クラッド層と、Al1 -x2 Inx2N1-y2Asy2活性層と、逆の導電型の第２のAl1-x3Inx3N1-y3Asy3クラッド
層とを順次積層形成された状態で備えており、x1、x2及びx3はIn含有率を示し、
y1、y2及びy3はAs含有率を示し、x1、y1、x2、y2、x3及びy3は、EgAlN、EgAlAs
、EgInN及びEgInAsがそれぞれAlN、AlAs、InN、及びInAsのバンドギャップエネ
ルギーであるとき、0<=x1<=1、0<x2<1、0<=x3<=1、0<=y1<=1、0<y2<1、0<=y3<=1
、x1/0.1+ y1/0.02<=1またはx1/0.9-2.22y1>=1、x2/0.1+ y2/0.02<=1またはx2/0
.9-2.22y2>=1、x3/0.1+ y3/0.02<=1またはx3/0.9-2.22y3>=1、EgAlN(1-x1)(1-y1
) + EgAlAs(1-x1)y1 + EgInNx1(1-y1) + EgInAsx1y1 > EgAlN(1-x2)(1-y2) + Eg
AlAs(1-x2)y2 + EgInNx2(1-y2) + EgInAsx2y2、及びEgAlN(1-x3)(1-y3) + EgAlA
s(1-x3)y3 + EgInNx3(1-y3) + EgInAsx3y3 > EgAlN(1-x2)(1-y2) + EgAlAs(1-x2
)y2 + EgInNx2(1-y2) + EgInAsx2y2の関係を有している半導体構造。 - 【請求項３９】 上記活性層は、その全構成層のIn含有率ｘｗ及びAs含有率
ｙｗが0<xw<1、0<yw<1、及びxw/0.1+yw/0.02<=1またはxw/0.9-2.22yw>=1の関係
を満たすAlInNAs単一または多重量子井戸活性層である請求項３８記載の発光素
子。 - 【請求項４０】 ｘｓとｙｓが上記各構成層においてそれぞれIn含有率とAs
含有率であるとき、3.11(1-xs)(1-ys)+4(1-xs)ys+3.54xs(1-ys)+4.28xsysがほぼ
一定の値に等しいという条件が満たされている請求項３８記載の半導体構造。 - 【請求項４１】 ｘｓとｙｓが上記各構成層においてそれぞれIn含有率とAs
含有率であるとき、3.11(1-xs)(1-ys)+4(1-xs)ys+3.54xs(1-ys)+4.28xsysがほぼ
３．１１に等しいという条件が満たされている請求項３８記載の半導体構造。 - 【請求項４２】 ある導電型の第１のAl1-x1Inx1N1-y1Asy1クラッド層と、A
l1-x2Inx2N1-y2Asy2活性層と、リッジ構造を有する逆の導電型の第２のAl1-x3In x3 N1-y3Asy3クラッド層とを順次積層形成された状態で備えており、x1、x2及びx
3はIn含有率を示し、y1、y2及びy3はAs含有率を示し、x1、y1、x2、y2、x3及びy
3は、EgAlN、EgAlAs、EgInN及びEgInAsがそれぞれAlN、AlAs、InN、及びInAsの
バンドギャップエネルギーであるとき、0<=x1<=1、0<x2<1、0<=x3<=1、0<=y1<=1
、0<y2<1、0<=y3<=1、x1/0.1+ y1/0.02<=1またはx1/0.9-2.22y1>=1、x2/0.1+ y2
/0.02<=1またはx2/0.9-2.22y2>=1、x3/0.1+ y3/0.02<=1またはx3/0.9-2.22y3>=1
、EgAlN(1-x1)(1-y1) + EgAlAs(1-x1)y1 + EgInNx1(1-y1) + EgInAsx1y1 > EgAl
N(1-x2)(1-y2) + EgAlAs(1-x2)y2 + EgInNx2(1-y2) + EgInAsx2y2、及びEgAlN(1
-x3)(1-y3) + EgAlAs(1-x3)y3 + EgInNx3(1-y3) + EgInAsx3y3 > EgAlN(1-x2)(1
-y2) + EgAlAs(1-x2)y2 + EgInNx2(1-y2) + EgInAsx2y2の関係を有している発光
素子。 - 【請求項４３】 上記AlInNAs活性層は、その全構成層のIn含有率ｘｗ及びA
s含有率ｙｗが0<xw<1、0<yw<1、及びxw/0.1+yw/0.02<=1またはxw/0.9-2.22yw>=1
の関係を満たすAlInNAs単一または多重量子井戸活性層である請求項４２記載の
発光素子。 - 【請求項４４】 ｘｓとｙｓが上記各構成層においてそれぞれIn含有率とAs
含有率であるとき、3.11(1-xs)(1-ys)+4(1-xs)ys+3.54xs(1-ys)+4.28xsysがほぼ
一定の値に等しいという条件が満たされている請求項４２記載の発光素子。 - 【請求項４５】 ｘｓとｙｓが上記各構成層においてそれぞれIn含有率とAs
含有率であるとき、3.11(1-xs)(1-ys)+4(1-xs)ys+3.54xs(1-ys)+4.28xsysがほぼ
３．１１に等しいという条件が満たされている請求項４２記載の発光素子。 - 【請求項４６】 第１導電型のIn1-x-yGayAlxN1-zAsz材料からなる第１のク
ラッド層と、 In1-x-yGayAlxN1-zAsz活性層と、 上記第１導電型とは逆の導電型のIn1-x-yGayAlxN1-zAsz材料からなる第２のク
ラッド層とを備え、 上記各層の構成成分のモル分率が相分離を最小限に抑えるよう選択されている
半導体構造。 - 【請求項４７】 ｘはゼロに等しい請求項４６記載の半導体構造。
- 【請求項４８】 ｙはゼロに等しい請求項４６記載の半導体構造。
- 【請求項４９】 ｘ＋ｙ＋ｚは１に等しい請求項４６記載の半導体構造。
- 【請求項５０】 第１導電型のIn1-x-yGayAlxN1-zAsz材料からなる第１のク
ラッド層と、 ｘ、ｙもしくはｚのいずれか１つがゼロに等しいかまたはｘ、ｙ及びｚの合計
が１に等しいIn1-x-yGayAlxN1-zAsz活性層と、 上記第１導電型とは逆の導電型のIn1-x-yGayAlxN1-zAsz材料からなり、ｘもし
くはｙのどちらか少なくとも１つがゼロに等しいかまたはｘ及びｙの合計が１に
等しく、かつｚがゼロではない第２のクラッド層とを備え、 上記各層の構成成分のモル分率が相分離を最小限に抑えるよう選択されている
半導体構造。
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