JP2006324279A - Semiconductor element - Google Patents

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Hiroaki Ota
裕朗 太田
Toshio Nishida
敏夫 西田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor element that reduces polarization generated by the lamination of two semiconductor layers having different composition each other, has a mesa section for enabling a carrier to move smoothly, and has low electric resistance. <P>SOLUTION: A band gap change layer of which the composition changes is arranged between the two semiconductor layers that are laminated at the mesa section and have different composition each other in a lamination direction. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、複数の半導体層を積層して形成される半導体素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor element formed by stacking a plurality of semiconductor layers.

近年、開発が進む高速通信機器に使用される高周波デバイスや半導体発光素子は基板上に半導体薄膜を複数積層して形成されている。このように基板上に半導体薄膜を積層して形成した複数の半導体素子を互いに隣接する半導体素子から分離するためにメサ状とすることがある(例えば、非特許文献1参照。)。例えば、InP基板上にエピタキシャル成長にてInAlAs及びInGaAs等の化合物半導体を積層し、次いでTi/Al又はNi/Al等の金属でゲート、ソース及びドレインの電極を作成し、ドライエッチング等によりメサ状を形成して素子分離を行う。   In recent years, high-frequency devices and semiconductor light-emitting elements used in high-speed communication devices that have been developed are formed by laminating a plurality of semiconductor thin films on a substrate. In order to separate a plurality of semiconductor elements formed by stacking semiconductor thin films on a substrate in this manner from adjacent semiconductor elements, a mesa shape may be used (see, for example, Non-Patent Document 1). For example, compound semiconductors such as InAlAs and InGaAs are stacked on an InP substrate by epitaxial growth, then gate, source, and drain electrodes are made of a metal such as Ti / Al or Ni / Al, and a mesa shape is formed by dry etching or the like. Then, element isolation is performed.

また、電極からのキャリアを半導体素子の特定箇所に集中させる目的で半導体素子の一部をメサ状に形成して、キャリアの移動路を狭めることもある。例えば、半導体発光素子においては光強度分布(横モード)の単峰性を向上させ、半導体発光素子と光ピックアップ等の外部機器との結合効率を向上させるために、半導体発光素子の一部をメサ状に形成してキャリアの流れを狭搾して活性層に集中させている(例えば、特許文献1参照。)。   In addition, in order to concentrate carriers from the electrodes at specific locations of the semiconductor element, a part of the semiconductor element may be formed in a mesa shape to narrow the carrier movement path. For example, in a semiconductor light emitting device, in order to improve the unimodality of the light intensity distribution (transverse mode) and improve the coupling efficiency between the semiconductor light emitting device and an external device such as an optical pickup, a part of the semiconductor light emitting device is mesa. The carrier flow is narrowed and concentrated in the active layer (see, for example, Patent Document 1).

なお、以下の説明において、「メサ状に形成した半導体素子の一部」を「メサ部」と略記する。また、「メサ部の内部においてコンタクト層と第一半導体層との接合部が現れている表面の近傍」を「メサ部の側壁付近」と記載し、「メサ部の側壁から離れた内部」を「メサ部の中央部」と記載している。   In the following description, “a part of a semiconductor element formed in a mesa shape” is abbreviated as “mesa portion”. In addition, “near the surface where the junction between the contact layer and the first semiconductor layer appears inside the mesa part” is described as “near the side wall of the mesa part”, and “the inside away from the side wall of the mesa part”. It is described as “the center of the mesa”.

従来の半導体素子107の断面の概念図を図7に示す。半導体素子107は電極11、基板12、第一半導体層15、第二半導体層17、コンタクト層18及び電極19を積層して構成される。さらに、電極19から第一半導体層15の積層方向の幅の一部までをメサ状に形成し、メサ部7としている。
http: //www3.fed.or.jp/pub/review/FEDreviewV1N12E1SanoE.pdf 特開平11−177175号公報。
A conceptual diagram of a cross section of a conventional semiconductor element 107 is shown in FIG. The semiconductor element 107 is configured by laminating an electrode 11, a substrate 12, a first semiconductor layer 15, a second semiconductor layer 17, a contact layer 18 and an electrode 19. Further, the mesa portion 7 is formed in a mesa shape from the electrode 19 to a part of the width in the stacking direction of the first semiconductor layer 15.
http: //www3.fed.or.jp/pub/review/FEDreviewV1N12E1SanoE.pdf Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-177175.

しかし、デバイスの要求上、互いに組成の異なる二の半導体層を隣接して積層することもある。例えば、図7の半導体素子107のように第一半導体層15と第二半導体層17とがIII族窒化物系化合物であり、互いに元素の組成が異なる場合、第一半導体層15及び第二半導体層17を含んだメサ部7を形成すれば、第一半導体層15と第二半導体層17の間に自発分極や格子ひずみ起因のピエゾ分極(以下、「自発分極や格子ひずみ起因のピエゾ分極」を「分極」と略記する。)に起因する分極電荷が生ずる。特にC軸方向に積層したIII族窒化物系化合物のヘテロ構造のヘテロ界面では前記分極電荷が顕著に現れていた。第一半導体層15と第二半導体層17との間に分極電荷が生ずる場合、メサ部7を第二半導体層17から第一半導体層15へ積層方向に移動するキャリアは前記分極電荷による電場からの斥力を受けて図7のキャリアの流れ91のようにメサ部7の側壁付近に集中して移動することになる。しかし、メサ部7の側壁付近はメサ部7の形成時の影響により結晶性が悪く、キャリア輸送が阻害され、半導体素子107の電気抵抗が高くなるという課題があった。   However, two semiconductor layers having different compositions may be stacked adjacent to each other due to device requirements. For example, when the first semiconductor layer 15 and the second semiconductor layer 17 are group III nitride-based compounds and have different elemental compositions as in the semiconductor element 107 of FIG. 7, the first semiconductor layer 15 and the second semiconductor layer If the mesa portion 7 including the layer 17 is formed, the spontaneous polarization or piezo polarization caused by lattice strain (hereinafter referred to as “piezo polarization caused by spontaneous polarization or lattice strain”) is formed between the first semiconductor layer 15 and the second semiconductor layer 17. Is abbreviated as “polarization”). In particular, the polarization charge appeared remarkably at the heterointerface of the III-nitride compound heterostructure laminated in the C-axis direction. When a polarization charge is generated between the first semiconductor layer 15 and the second semiconductor layer 17, the carriers moving the mesa portion 7 from the second semiconductor layer 17 to the first semiconductor layer 15 in the stacking direction are generated from the electric field due to the polarization charge. In response to the repulsive force, the carrier moves in a concentrated manner in the vicinity of the side wall of the mesa portion 7 as in the carrier flow 91 of FIG. However, there is a problem that the vicinity of the side wall of the mesa portion 7 has poor crystallinity due to the influence of the formation of the mesa portion 7, the carrier transport is hindered, and the electric resistance of the semiconductor element 107 is increased.

本願発明は上記課題を解決するためになされたもので、互いに組成の異なる二の半導体層が積層されたメサ部において、キャリアが円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a semiconductor element in which carriers can move smoothly in a mesa portion in which two semiconductor layers having different compositions are stacked, and thus has low electrical resistance. Objective.

上記目的を達成するために、本願発明は、メサ部に積層された互いに組成の異なる二の半導体層との間に積層方向に組成が変化するバンドギャップ変化層を配置することとした。   In order to achieve the above object, according to the present invention, a band gap changing layer whose composition changes in the stacking direction is arranged between two semiconductor layers having different compositions stacked in the mesa portion.

具体的には、本願第一の発明は、基板上に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記基板の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が連続的に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、前記第二半導体層の前記バンドギャップ変化層の側と反対の側に外部から電圧を印加するための電極と、を備える半導体素子であって、積層方向において、前記電極から前記第二半導体層又は前記第一半導体層に至るまでがメサ状であり、前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層から前記第二半導体層に向かって、前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ連続的に単調変化することを特徴とする半導体素子である。 Specifically, the first invention of the present application is laminated on a substrate and has a composition formula of Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A first semiconductor layer of a group III nitride compound represented by the following formula: a first semiconductor layer adjacent to a side opposite to the substrate side of the first semiconductor layer, and a composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), a band gap changing layer of a group III nitride compound whose composition continuously changes monotonously in the stacking direction, and the band The gap change layer is laminated adjacent to the side opposite to the first semiconductor layer side, and the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ a second semiconductor layer of a group III nitride compound represented by x + y ≦ 1), and the band gap changing layer side of the second semiconductor layer; An electrode for applying a voltage from the outside to the pair side, and in the stacking direction, from the electrode to the second semiconductor layer or the first semiconductor layer is a mesa shape, The band gap of the band gap change layer is substantially equal to the band gap of the second semiconductor layer from the band gap substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer from the first semiconductor layer toward the second semiconductor layer. It is a semiconductor element characterized by continuously monotonously changing to a band gap.

組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物は組成を変化させることでバンドギャップを調整することができる半導体である。従って、前記III族窒化物系化合物においてx及びyで指定される組成を単調変化させることで、前記バンドギャップ変化層のバンドギャップを単調変化させることができる。 The group III nitride compound represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) is changed by changing the composition of the band. It is a semiconductor whose gap can be adjusted. Therefore, the band gap of the band gap changing layer can be monotonously changed by monotonically changing the composition designated by x and y in the group III nitride compound.

本願第一の発明では、前記第二半導体層の組成から前記第一半導体層の組成へ連続的に単調変化する前記バンドギャップ変化層を前記第二半導体層の組成と等しい側を前記第二半導体層に隣接し、且つ前記第一半導体層の組成と等しい側を前記第一半導体層に隣接することで、前記第二半導体層から前記第一半導体層へ急峻な組成変化を避け、前記第二半導体層から前記第一半導体層へバンドギャップを連続的に単調変化させることができる。従って、前記バンドギャップ変化層により前記第二半導体層から前記第一半導体層までの間で前記分極電荷を分散することができ、前記分極電荷の電場からの斥力が低減するため、キャリアは前記第二半導体層から前記第一半導体層へ円滑に移動することができる。ゆえに、積層方向において、前記電極から前記第二半導体層又は前記第一半導体層に至るまでをメサ状としたことでキャリアは結晶性が良い前記メサ部の中央部を円滑に移動することができる。   In the first invention of the present application, the band gap changing layer that continuously and monotonously changes from the composition of the second semiconductor layer to the composition of the first semiconductor layer is set to the second semiconductor layer on the side equal to the composition of the second semiconductor layer. By adjoining the first semiconductor layer on a side that is adjacent to the layer and that is equal to the composition of the first semiconductor layer, avoiding a sharp composition change from the second semiconductor layer to the first semiconductor layer, the second semiconductor layer The band gap can be continuously and monotonously changed from the semiconductor layer to the first semiconductor layer. Therefore, the polarization charge can be dispersed between the second semiconductor layer and the first semiconductor layer by the band gap change layer, and the repulsive force from the electric field of the polarization charge is reduced. It can move smoothly from the two semiconductor layers to the first semiconductor layer. Therefore, in the stacking direction, a carrier from the electrode to the second semiconductor layer or the first semiconductor layer has a mesa shape, so that carriers can smoothly move in the central portion of the mesa portion having good crystallinity. .

従って、本願第一の発明は、互いに組成の異なる二の半導体層が積層されたメサ部において、キャリアが円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。   Therefore, the first invention of the present application can provide a semiconductor element in which carriers can move smoothly in a mesa portion in which two semiconductor layers having different compositions are stacked, and thus has low electrical resistance.

本願第二の発明は、基板上に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記基板の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が階段状に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、前記第二半導体層の前記バンドギャップ変化層の側と反対の側に外部から電圧を印加するための電極と、を備える半導体素子であって、積層方向において、前記電極から前記第二半導体層又は前記第一半導体層に至るまでがメサ状であり、前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層から前記第二半導体層に向かって、前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ階段状に単調変化することを特徴とする半導体素子である。 The second invention of the present application is laminated on a substrate and represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A first semiconductor layer of a group nitride compound and a layer adjacent to the side of the first semiconductor layer opposite to the substrate side, and a composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), and the band gap changing layer of the group III nitride compound whose composition monotonously changes in a stepwise manner in the stacking direction, and the band gap changing layer Stacked adjacent to the side opposite to the first semiconductor layer side, the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) A second semiconductor layer of the group III nitride compound represented, and an outer side of the second semiconductor layer opposite to the band gap changing layer side. And an electrode for applying a voltage from the electrode to the second semiconductor layer or the first semiconductor layer in the stacking direction, the band gap changing layer The band gap is stepped from the first semiconductor layer toward the second semiconductor layer from a band gap substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer to a band gap substantially equal to the band gap of the second semiconductor layer. The semiconductor element is characterized by monotonously changing.

組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物は組成を変化させることでバンドギャップを調整することができる半導体である。従って、前記組成式において互いに異なる値のx及びyで指定される組成の前記III族窒化物系化合物薄膜を複数積層させ前記バンドギャップ変化層を構成することで、前記バンドギャップ変化層のバンドギャップを階段状に単調変化させることができる。 The group III nitride compound represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) is changed by changing the composition of the band. It is a semiconductor whose gap can be adjusted. Accordingly, the band gap changing layer is formed by stacking a plurality of group III nitride compound thin films having compositions specified by different values of x and y in the composition formula, thereby forming a band gap of the band gap changing layer. Can be monotonously changed stepwise.

本願第二の発明では、前記第二半導体層の組成から前記第一半導体層の組成へ階段状に単調変化する前記バンドギャップ変化層を前記第二半導体層の組成と等しい側を前記第二半導体層に隣接し、且つ前記第一半導体層の組成と等しい側を前記第一半導体層に隣接することで、前記第二半導体層から前記第一半導体層へ急峻な組成変化を避け、前記第二半導体層から前記第一半導体層へバンドギャップを階段状に単調変化させることができる。従って、前記バンドギャップ変化層により前記第二半導体層から前記第一半導体層までの間で前記分極電荷を分散することができ、前記分極電荷の電場からの斥力が低減するため、キャリアは前記第二半導体層から前記第一半導体層へ円滑に移動することができる。ゆえに、積層方向において、前記電極から前記第二半導体層又は前記第一半導体層に至るまでをメサ状としたことでキャリアは結晶性が良い前記メサ部の中央部を円滑に移動することができる。   In the second invention of the present application, the band gap changing layer that monotonously changes in a stepwise manner from the composition of the second semiconductor layer to the composition of the first semiconductor layer is set on the side that is equal to the composition of the second semiconductor layer. By adjoining the first semiconductor layer on a side that is adjacent to the layer and that is equal to the composition of the first semiconductor layer, avoiding a sharp composition change from the second semiconductor layer to the first semiconductor layer, the second semiconductor layer The band gap can be monotonously changed stepwise from the semiconductor layer to the first semiconductor layer. Therefore, the polarization charge can be dispersed between the second semiconductor layer and the first semiconductor layer by the band gap change layer, and the repulsive force from the electric field of the polarization charge is reduced. It can move smoothly from the two semiconductor layers to the first semiconductor layer. Therefore, in the stacking direction, a carrier from the electrode to the second semiconductor layer or the first semiconductor layer has a mesa shape, so that carriers can smoothly move in the central portion of the mesa portion having good crystallinity. .

従って、本願第二の発明は、互いに組成の異なる二の半導体層が積層されたメサ部において、キャリアが円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。   Accordingly, the second invention of the present application can provide a semiconductor element in which carriers can move smoothly in a mesa portion in which two semiconductor layers having different compositions are laminated, and thus has low electrical resistance.

本願発明に係る半導体素子の前記第二半導体層はp型であることが好ましい。   The second semiconductor layer of the semiconductor element according to the present invention is preferably p-type.

前記第二半導体層がp型の場合、前記メサ部を移動するキャリアは正孔となる。電子と比較し、有効質量が大きい正孔は結晶性の悪い前記メサ部の側壁付近の移動が困難である。従って、前記分極電荷により正孔が前記メサ部の側壁付近を移動するp型のメサ部の電気抵抗は高かった。ゆえに、前記バンドギャップ変化層により正孔が前記メサ部中央付近を円滑に移動するため前記メサ部の電気抵抗は低くなる。   When the second semiconductor layer is p-type, the carriers moving through the mesa portion are holes. Holes having a large effective mass compared to electrons are difficult to move near the side wall of the mesa having poor crystallinity. Therefore, the electric resistance of the p-type mesa portion where holes move near the side wall of the mesa portion due to the polarization charge was high. Therefore, the holes move smoothly around the center of the mesa portion by the band gap changing layer, so that the electric resistance of the mesa portion is lowered.

従って、本願発明は、互いに組成の異なる二の半導体層が積層されたメサ部において、キャリアが円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。   Therefore, the present invention can provide a semiconductor element in which carriers can move smoothly in a mesa portion in which two semiconductor layers having different compositions are stacked, and thus has low electrical resistance.

本願発明に係る半導体素子の前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅は3(nm)以上100(nm)未満であることが好ましい。   The width in the stacking direction of the band gap changing layer of the semiconductor element according to the present invention is preferably 3 (nm) or more and less than 100 (nm).

前記第一半導体層と前記第二半導体層との間の急峻な組成変化を緩和する目的に挿入される前記バンドギャップ変化層は、前記目的達成のために積層方向の幅(以下、「積層方向の幅」を「膜厚」と略記する。)は3(nm)以上であることが求められる。一方、メサ部の積層方向の距離に比例し電気抵抗が大きくなるため、前記バンドギャップ変化層の膜厚は100(nm)未満が望ましい。   The bandgap changing layer inserted for the purpose of alleviating a steep composition change between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer has a width in the stacking direction (hereinafter referred to as “stacking direction” for achieving the above purpose). ”Is abbreviated as“ film thickness. ”) Is required to be 3 (nm) or more. On the other hand, since the electric resistance increases in proportion to the distance in the laminating direction of the mesa portion, the film thickness of the band gap changing layer is preferably less than 100 (nm).

従って、本願発明は、互いに組成の異なる二の半導体層が積層されたメサ部において、キャリアが円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。   Therefore, the present invention can provide a semiconductor element in which carriers can move smoothly in a mesa portion in which two semiconductor layers having different compositions are stacked, and thus has low electrical resistance.

本願発明に係る半導体素子は、前記第一半導体層、前記バンドギャップ変化層及び前記第二半導体層の積層方向と前記第一半導体層のIII族窒化物系化合物の結晶、前記バンドギャップ変化層のIII族窒化物系化合物の結晶及び前記第二半導体層のIII族窒化物系化合物の結晶のC軸方向とが平行であることが好ましい。   The semiconductor device according to the present invention includes a stacking direction of the first semiconductor layer, the band gap change layer, and the second semiconductor layer, a crystal of a group III nitride compound of the first semiconductor layer, and a band gap change layer. It is preferable that the crystal of the Group III nitride compound and the C-axis direction of the Group III nitride compound crystal of the second semiconductor layer are parallel to each other.

前記分極電荷が顕著に現れる前記III族窒化物系化合物の結晶をC軸方向に揃えて積層した場合であっても、前記第一半導体層、前記バンドギャップ変化層及び前記第二半導体層を順に積層することで、前記分極電荷は小さくなり、前記第一半導体層と前記第二半導体層との間のキャリア輸送を円滑することができる。   Even when the crystal of the group III nitride compound in which the polarization charge appears remarkably is laminated in the C-axis direction, the first semiconductor layer, the band gap change layer, and the second semiconductor layer are sequentially formed. By laminating, the polarization charge is reduced, and carrier transport between the first semiconductor layer and the second semiconductor layer can be facilitated.

従って、本願発明は、互いに組成の異なる二の半導体層が積層されたメサ部において、キャリアが円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。   Therefore, the present invention can provide a semiconductor element in which carriers can move smoothly in a mesa portion in which two semiconductor layers having different compositions are stacked, and thus has low electrical resistance.

本願発明に係る半導体素子は、前記第一半導体層のIII族窒化物系化合物と前記第二半導体層のIII族窒化物系化合物とを隣接した界面に生ずる分極の電荷密度をρ(cm−2)、前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅をd(cm)と表したとき、前記バンドギャップ変化層に添加される不純物の不純物濃度n(cm−3)は、0.5ρ/d≦n≦3ρ/dの範囲であることが好ましい。 In the semiconductor device according to the present invention, the charge density of polarization generated at the adjacent interface between the group III nitride compound of the first semiconductor layer and the group III nitride compound of the second semiconductor layer is represented by ρ (cm −2 ), When the width of the band gap change layer in the stacking direction is expressed as d (cm), the impurity concentration n (cm −3 ) of the impurity added to the band gap change layer is 0.5ρ / d ≦ n. ≦ 3ρ / d is preferable.

前記半導体素子の電気抵抗を下げるために、前記バンドギャップ変化層には不純物を添加することが好ましい。一方、不純物濃度が高い場合、結晶欠陥が増加し、前記半導体素子の低電気抵抗化を図ることができなくなる。さらに、前記半導体素子を発光素子として使用する場合、前記結晶欠陥に吸収される光の量が増加して発光効率が低下することになる。また、不純物としてMgを添加した場合、Mg拡散により半導体素子が劣化して信頼性が低下することになる。従って、前記バンドギャップ変化層の不純物濃度は前記の範囲であることが好ましい。   In order to reduce the electrical resistance of the semiconductor element, it is preferable to add an impurity to the band gap change layer. On the other hand, when the impurity concentration is high, crystal defects increase, and it becomes impossible to reduce the electrical resistance of the semiconductor element. Furthermore, when the semiconductor element is used as a light emitting element, the amount of light absorbed by the crystal defects increases and the light emission efficiency decreases. Further, when Mg is added as an impurity, the semiconductor element deteriorates due to Mg diffusion, and the reliability decreases. Therefore, the impurity concentration of the band gap changing layer is preferably within the above range.

本願発明に係る半導体素子は、前記基板と前記第一半導体層との間に電子と正孔とが再結合することにより光を発生させる活性層をさらに備え、前記第一半導体層は前記組成式においてx=0及び0.95≦y≦1であり、前記活性層で発生した光を導波する光ガイド層として機能し、前記第二半導体層は前記組成式においてx=m(0.05≦m≦0.1)及びx+y=1の関係であり、前記活性層にキャリアを供給するクラッド層として機能し、且つ前記バンドギャップ変化層は前記組成式において0≦x≦m及びx+y=1の関係の範囲であり、構造全体として半導体レーザとしての機能を有することが好ましい。   The semiconductor device according to the present invention further comprises an active layer that generates light by recombination of electrons and holes between the substrate and the first semiconductor layer, wherein the first semiconductor layer has the composition formula X = 0 and 0.95 ≦ y ≦ 1, and functions as a light guide layer for guiding the light generated in the active layer, and the second semiconductor layer has x = m (0.05 in the composition formula). ≦ m ≦ 0.1) and x + y = 1, function as a clad layer for supplying carriers to the active layer, and the band gap change layer is 0 ≦ x ≦ m and x + y = 1 in the composition formula It is preferable that the entire structure has a function as a semiconductor laser.

前記第二半導体層の前記III族窒化物系化合物の組成を前記組成式においてx=m(0.05≦m≦0.1)及びx+y=1とする、すなわちAlGa1−mNとし、前記第一半導体層の前記III族窒化物系化合物の組成を前記組成式においてx=0及びy=1とする、すなわちGaNとすることで、前記第二半導体層のバンドギャップは前記第一半導体層のバンドギャップより大きくなる。従って、キャリアは前記第二半導体層から前記バンドギャップ変化層を通り、前記第一半導体層へ円滑に移動することができ、前記第二半導体層はキャリアを供給するクラッド層として機能する。 The composition of the group III nitride compound of the second semiconductor layer is x = m (0.05 ≦ m ≦ 0.1) and x + y = 1 in the composition formula, that is, Al m Ga 1-m N. By setting the composition of the group III nitride compound of the first semiconductor layer to x = 0 and y = 1 in the composition formula, that is, GaN, the band gap of the second semiconductor layer is the first semiconductor layer. It becomes larger than the band gap of the semiconductor layer. Accordingly, carriers can smoothly move from the second semiconductor layer through the band gap changing layer to the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer functions as a cladding layer for supplying carriers.

また、前記第一半導体層の前記III族窒化物系化合物の組成を前記組成式においてx=0及び0.95≦y≦1とする、すなわちGaN又はInGaN化合物とすることで屈折率が小さくなり前記活性層で発生した光は前記第一半導体層で反射する。ゆえに、前記活性層で発生した光は前記第一半導体層を導波するとともに誘導放出を促し、前記第一半導体層は光ガイド層として機能する。   Moreover, the refractive index is reduced by setting the composition of the group III nitride compound of the first semiconductor layer to x = 0 and 0.95 ≦ y ≦ 1 in the composition formula, that is, GaN or InGaN compound. Light generated in the active layer is reflected by the first semiconductor layer. Therefore, the light generated in the active layer guides the first semiconductor layer and stimulates emission, and the first semiconductor layer functions as a light guide layer.

従って、本願発明は、互いに組成の異なる二の半導体層が積層されたメサ部において、キャリアが円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体レーザとして機能する半導体素子を提供することができる。   Therefore, the present invention can provide a semiconductor element that can smoothly move carriers in a mesa portion in which two semiconductor layers having different compositions are stacked and thus functions as a semiconductor laser having low electrical resistance.

本願発明により、互いに組成の異なる二の半導体層が積層されたメサ部において、キャリアが円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a semiconductor element in which carriers can move smoothly in a mesa portion in which two semiconductor layers having different compositions are stacked, and the electrical resistance is low.

以下、本願発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本願発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to embodiment shown below.

(実施の形態1)
本実施形態は、基板上に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記基板の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が連続的に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、前記第二半導体層の前記バンドギャップ変化層の側と反対の側に外部から電圧を印加するための電極と、を備える半導体素子であって、積層方向において、前記電極から前記第二半導体層又は前記第一半導体層に至るまでがメサ状であり、前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層から前記第二半導体層に向かって、前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ連続的に単調変化することを特徴とする半導体素子である。
(Embodiment 1)
The present embodiment is a group III nitride layered on a substrate and represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A first compound layer of a physical compound and a layer adjacent to the side of the first semiconductor layer opposite to the substrate side are stacked, and the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1) , 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), and the band gap changing layer of the group III nitride compound whose composition continuously changes monotonously in the stacking direction, and the first of the band gap changing layer It is laminated adjacent to the side opposite to the semiconductor layer side, and is expressed as a composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A second semiconductor layer of a group III nitride compound and a side of the second semiconductor layer opposite to the band gap changing layer side An electrode for applying a voltage, and a mesa shape from the electrode to the second semiconductor layer or the first semiconductor layer in the stacking direction, and the band gap changing layer The band gap is continuously from the first semiconductor layer toward the second semiconductor layer, from a band gap substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer to a band gap substantially equal to the band gap of the second semiconductor layer. It is a semiconductor element characterized by monotonous change.

本願第一の発明に係る一の実施の形態である半導体素子101の断面の概念図を図1に示す。半導体素子101は電極11、基板12、第一半導体層15、バンドギャップ変化層16、第二半導体層17、コンタクト層18及び電極19を備える。半導体素子101は基板12上に各半導体層を積層している。   The conceptual diagram of the cross section of the semiconductor element 101 which is one embodiment which concerns on 1st invention of this application is shown in FIG. The semiconductor element 101 includes an electrode 11, a substrate 12, a first semiconductor layer 15, a band gap change layer 16, a second semiconductor layer 17, a contact layer 18, and an electrode 19. In the semiconductor element 101, each semiconductor layer is stacked on the substrate 12.

積層方向において、前記電極から前記第一半導体層に至るまで、前記電極から前記第一半導体層の一部を含むまで又は前記電極から前記第一半導体層の全部を含むまでがメサ状であってもよい。   In the stacking direction, from the electrode to the first semiconductor layer, from the electrode to a part of the first semiconductor layer, or from the electrode to the entire first semiconductor layer is mesa-shaped. Also good.

半導体素子101は、電極19から第一半導体層15の積層方向の幅の一部までをメサ状に形成し、メサ部1としている。   The semiconductor element 101 forms a mesa portion from the electrode 19 to a part of the width in the stacking direction of the first semiconductor layer 15 as a mesa portion 1.

電極11及び電極19は半導体素子101に電圧を印加するために配置される。電極と半導体とが接触したときに整流性を生ずれば半導体素子としての効率を損なうため、電極11及び電極19は半導体とオーム接触できる素材であることが望ましい。さらに、外部の電源等の装置との配線との接触抵抗が小さい素材であることが望ましい。そのため、半導体と接触する素材と配線と接続する素材との間にバッファとなる素材を挟む構造であることが好ましい。例えば、n型半導体と接触する電極の素材としては、Ti/Al/Ti/AuやAl/Auが例示される。p型半導体と接触する電極の素材としては、Ni/Au、Pd/Au及びPt/Auが例示される。   The electrode 11 and the electrode 19 are arranged for applying a voltage to the semiconductor element 101. Since the efficiency as a semiconductor element is impaired if rectification occurs when the electrode and the semiconductor come into contact with each other, it is desirable that the electrode 11 and the electrode 19 be made of a material that can make ohmic contact with the semiconductor. Furthermore, it is desirable that the material has a small contact resistance with a wiring with an external power supply or other device. Therefore, a structure in which a material serving as a buffer is sandwiched between a material in contact with a semiconductor and a material connected to a wiring is preferable. For example, Ti / Al / Ti / Au and Al / Au are exemplified as the material of the electrode that contacts the n-type semiconductor. Examples of the electrode material in contact with the p-type semiconductor include Ni / Au, Pd / Au, and Pt / Au.

電極11は基板12との接触抵抗を低減するために基板12の第一半導体層15を積層した側と反対側(以下、「基板12の第一半導体層15を積層した側と反対側」を「基板12の裏面」と略記する。)全面に積層していることが好ましい。   In order to reduce the contact resistance with the substrate 12, the electrode 11 has a side opposite to the side on which the first semiconductor layer 15 is laminated (hereinafter referred to as "the side opposite to the side on which the first semiconductor layer 15 is laminated" of the substrate 12). (Abbreviated as “rear surface of substrate 12”).

基板12は半導体薄膜で構成される半導体素子101を物理的に支えるために配置される。半導体素子101の基板として半導体薄膜が良好に成長する素材が選択される。例えば、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物(以下、「組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物」を「AlGaIn1−x−yN化合物」と略記する。)薄膜を積層させる場合はサファイヤ(Al)、窒化ガリウム(GaN)又は炭化珪素(SiC)が例示される。 The substrate 12 is disposed to physically support the semiconductor element 101 composed of a semiconductor thin film. A material on which a semiconductor thin film is favorably grown is selected as the substrate of the semiconductor element 101. For example, a group III nitride compound represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1) (hereinafter “composition formula”) “Group III nitride compound represented by Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1”) is referred to as “Al x Ga y In 1− abbreviated as “ xy N compound”.) When thin films are laminated, sapphire (Al 2 O 3 ), gallium nitride (GaN) or silicon carbide (SiC) is exemplified.

第二半導体層17はAlGaIn1−x−yN化合物の半導体層である。第二半導体層17は前記組成式においてx=m(0.01≦m≦0.15、好ましくは0.05≦m≦0.10)、x+y=1の関係、すなわち組成式がAlGa1−mNと表されるIII族窒化物系化合物(以下、「組成式がAlGa1−mNと表されるIII族窒化物系化合物」を「AlGa1−mN化合物」と略記する。)が例示される。第二半導体層17はp型であることが好ましい。第二半導体層17がp型である場合、キャリア密度を高めるため、p型不純物が添加される。第二半導体層17に添加する不純物としてMgが例示され、不純物濃度は5×1018(cm−3)以上1×1020(cm−3)以下であることが例示される。第二半導体層17の膜厚は100(nm)以上2000(nm)以下が好ましく、200(nm)以上500(nm)以下であることがより好ましい。 The second semiconductor layer 17 is a semiconductor layer of an Al x Ga y In 1-xy N compound. The second semiconductor layer 17 has a relation of x = m (0.01 ≦ m ≦ 0.15, preferably 0.05 ≦ m ≦ 0.10) and x + y = 1 in the composition formula, that is, the composition formula is Al m Ga. 1-m group III represented as N nitride compound (hereinafter, the "group III nitride based compound composition formula is represented as Al m Ga 1-m N""Al m Ga 1-m N compound" For example). The second semiconductor layer 17 is preferably p-type. When the second semiconductor layer 17 is p-type, a p-type impurity is added to increase the carrier density. An example of the impurity added to the second semiconductor layer 17 is Mg, and the impurity concentration is 5 × 10 18 (cm −3 ) or more and 1 × 10 20 (cm −3 ) or less. The film thickness of the second semiconductor layer 17 is preferably not less than 100 (nm) and not more than 2000 (nm), and more preferably not less than 200 (nm) and not more than 500 (nm).

第一半導体層15はAlGaIn1−x−yN化合物の半導体層である。第一半導体層15のバンドギャップは第二半導体層17のバンドギャップより狭いことが好ましい。具体的には、第一半導体層15の組成を前記組成式においてx=0及びy=1、すなわち組成式がGaNと表されるIII族窒化物系化合物(以下、「組成式がGaNと表されるIII族窒化物系化合物」を「GaN化合物」と略記する。)が例示される。なお、第一半導体層15の組成を前記組成式においてx=0及び0.95≦y≦1とする、すなわちGaInN化合物としてもよい。第一半導体層15の膜厚は20(nm)以上200(nm)以下が好ましく、50(nm)以上150(nm)以下であることがより好ましい。また、第二半導体層17がp型の場合、第一半導体層15はノンドープ又は第二半導体層17に添加されたp型不純物濃度より低い不純物濃度に設計される。 The first semiconductor layer 15 is a semiconductor layer of an Al x Ga y In 1-xy N compound. The band gap of the first semiconductor layer 15 is preferably narrower than the band gap of the second semiconductor layer 17. Specifically, the composition of the first semiconductor layer 15 is set to x = 0 and y = 1 in the composition formula, that is, a group III nitride compound (hereinafter, “composition formula is represented as GaN”). "Group III nitride compound" is abbreviated as "GaN compound"). The composition of the first semiconductor layer 15 may be x = 0 and 0.95 ≦ y ≦ 1 in the composition formula, that is, a GaInN compound. The film thickness of the first semiconductor layer 15 is preferably 20 (nm) or more and 200 (nm) or less, and more preferably 50 (nm) or more and 150 (nm) or less. When the second semiconductor layer 17 is p-type, the first semiconductor layer 15 is designed to have an impurity concentration that is lower than the p-type impurity concentration that is not doped or added to the second semiconductor layer 17.

バンドギャップ変化層16は積層方向に組成が連続的に単調変化するAlGaIn1−x−yN化合物の層である。すなわち、バンドギャップ変化層16は積層方向においてバンドギャップ変化層16の一の側から他の側へ前記組成式におけるx及びyの値が連続的に単調変化する組成を有する。例えば、バンドギャップ変化層16は、積層方向に対するバンドギャップ変化層16の一の側が前記組成式においてx=0及びy=1であるGaN化合物であり、他の側が前記組成式においてx=0.08及びy=0.92であるAl0.08Ga0.92N化合物であり、前記一の側から前記他の側へ向かって前記組成式においてxの値が0から0.08へ連続的に単調変化し且つyの値がx+y=1の関係を保ちつつ1から0.92へ連続的に単調変化する組成を有する。バンドギャップ変化層16は組成が連続的に単調変化するため、バンドギャップ変化層16内において前記分極電荷を低減できる。 The band gap changing layer 16 is an Al x Ga y In 1-xy N compound layer whose composition continuously changes monotonously in the stacking direction. That is, the band gap change layer 16 has a composition in which the values of x and y in the composition formula continuously and monotonously change from one side of the band gap change layer 16 to the other side in the stacking direction. For example, the band gap changing layer 16 is a GaN compound in which one side of the band gap changing layer 16 with respect to the stacking direction is x = 0 and y = 1 in the composition formula, and the other side is x = 0. Al 0.08 Ga 0.92 N compound in which 08 and y = 0.92, and the value of x is continuous from 0 to 0.08 in the composition formula from the one side to the other side And a composition in which the value of y continuously monotonously changes from 1 to 0.92 while maintaining the relationship of x + y = 1. Since the composition of the band gap changing layer 16 continuously and monotonously changes, the polarization charge can be reduced in the band gap changing layer 16.

なお、バンドギャップ変化層16の膜厚は3(nm)以上100(nm)未満であることが好ましく、3(nm)以上50(nm)以下であることがより好ましい。   The film thickness of the band gap changing layer 16 is preferably 3 (nm) or more and less than 100 (nm), and more preferably 3 (nm) or more and 50 (nm) or less.

第二半導体層17がp型の場合、バンドギャップ変化層16にはp型とするためにp型不純物、例えばMgを添加してもよい。例えば、不純物濃度を1×1018(cm−3)以上1×1019(cm−3)以下とすることが例示できる。 When the second semiconductor layer 17 is p-type, a p-type impurity such as Mg may be added to the band gap change layer 16 in order to make it p-type. For example, the impurity concentration can be 1 × 10 18 (cm −3 ) or more and 1 × 10 19 (cm −3 ) or less.

なお、前記第一半導体層のIII族窒化物系化合物と前記第二半導体層のIII族窒化物系化合物とを隣接した界面に生ずる分極の電荷密度をρ(cm−2)、前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅をd(cm)と表したとき、前記バンドギャップ変化層に添加される不純物の不純物濃度n(cm−3)は、数1の範囲、すなわち電荷密度ρをバンドギャップ変化層の膜厚dで除算した商の50%以上300%以下の範囲であることが好ましい。

Figure 2006324279
The charge density of polarization generated at the adjacent interface between the group III nitride compound of the first semiconductor layer and the group III nitride compound of the second semiconductor layer is ρ (cm −2 ), and the band gap change When the width in the stacking direction of the layer is expressed as d (cm), the impurity concentration n (cm −3 ) of the impurity added to the band gap changing layer is in the range of Formula 1, that is, the charge density ρ is changed in the band gap. It is preferably in the range of 50% to 300% of the quotient divided by the layer thickness d.
Figure 2006324279

さらに円滑なキャリア輸送のため数2の範囲であることが好ましく、数3の範囲であることがより好ましい。

Figure 2006324279
Figure 2006324279
Furthermore, it is preferable that it is the range of several 2 for smooth carrier transport, and it is more preferable that it is the range of several 3.
Figure 2006324279
Figure 2006324279

GaN化合物とAl0.08Ga0.92N化合物との間に配置されるバンドギャップ変化層の不純物濃度を以下に例示する。GaN化合物とAl0.08Ga0.92N化合物との界面に生ずる分極電荷密度はρ=3×1012(cm−2)である。バンドギャップ変化層の膜厚を10(nm)としたとき、前記バンドギャップ変化層に添加される不純物の不純物濃度nは1.5×1018(cm−3)以上9×1018(cm−3)以下の範囲であることが好ましい。 The impurity concentration of the band gap change layer disposed between the GaN compound and the Al 0.08 Ga 0.92 N compound is exemplified below. The polarization charge density generated at the interface between the GaN compound and the Al 0.08 Ga 0.92 N compound is ρ = 3 × 10 12 (cm −2 ). When the film thickness of the band gap changing layer is 10 (nm), the impurity concentration n of the impurity added to the band gap changing layer is 1.5 × 10 18 (cm −3 ) or more and 9 × 10 18 (cm − 3 ) The following range is preferable.

コンタクト層18は電極19とオーム接触するための半導体層である。例えば、膜厚が10(nm)以上100(nm)以下のGaN化合物が例示できる。コンタクト層18には低電気抵抗化のため不純物を添加してもよい。コンタクト層18がGaN化合物であり、第二半導体層17がp型の場合、添加するp型不純物としてMgが例示される。   The contact layer 18 is a semiconductor layer for making ohmic contact with the electrode 19. For example, a GaN compound having a film thickness of 10 (nm) to 100 (nm) can be exemplified. Impurities may be added to the contact layer 18 to reduce the electrical resistance. When the contact layer 18 is a GaN compound and the second semiconductor layer 17 is p-type, Mg is exemplified as the p-type impurity to be added.

半導体素子101の各半導体層は有機金属気相成長法(以下、「有機金属気相成長法」を「MOCVD法」と略記する。)を利用して積層される。MOCVD法は反応ガスを反応炉(チャンバ)に導き入れ、チャンバ内に固定され、摂氏600度から摂氏1100度に維持された基板上で反応ガスを熱分解して反応させ薄膜をエピタキシャル成長させる方法である。反応ガスの流量及び濃度、反応温度及び時間、希釈ガスの種類等の製造パラメータを制御することで組成や膜厚の異なる半導体層を容易に積層して製造することができる。   Each semiconductor layer of the semiconductor element 101 is stacked using a metal organic vapor phase epitaxy method (hereinafter, “metal organic vapor phase epitaxy” is abbreviated as “MOCVD method”). The MOCVD method is a method in which a reaction gas is introduced into a reaction furnace (chamber) and fixed in the chamber, and the reaction gas is thermally decomposed and reacted on a substrate maintained at 600 to 1100 degrees Celsius to epitaxially grow a thin film. is there. By controlling manufacturing parameters such as the flow rate and concentration of the reaction gas, the reaction temperature and time, and the type of dilution gas, semiconductor layers having different compositions and film thicknesses can be easily stacked and manufactured.

第一半導体層15、バンドギャップ変化層16、第二半導体層17及びコンタクト層18がAlGaIn1−x−yN化合物薄膜の場合、MOCVD法はIII属元素としてGa(CH(トリメチルガリウム、以下「TMG」と略記する。)、In(C(トリエチルインジウム、以下「TMI」と略記する。)及びAl(CH(トリメチルアルミニウム、以下「TMA」と略記する。)をキャリアガスである水素又は窒素でバブリングさせた蒸気を原料ガスとして使用し、窒化物とするためにアンモニア蒸気を使用する。また、不純物はp型ドーパントとしてCPMg(シクロペンタジエニルマグネシウム)又はn型ドーパントとしてSiH(シラン)を原料ガスとすることができる。前記原料ガスは水素又は窒素のキャリアガスにてチャンバに導入する。MOCVD法はCPMg又はSiH、TMG、TMI、TMA及びアンモニアの原料ガスを所定の比率で混合した混合した混合ガスの流量ならびに基板温度の製造パラメータで所望のAlGaIn1−x−yN化合物を成長させることができる。MOCVD法はAlGaIn1−x−yN化合物の膜厚を反応時間で制御することができる。また、所定の反応時刻で前記製造パラメータを順に変更することで、異なる組成のAlGaIn1−x−yN化合物を連続して積層することができる。 When the first semiconductor layer 15, the band gap changing layer 16, the second semiconductor layer 17, and the contact layer 18 are Al x Ga y In 1-xy N compound thin films, the MOCVD method uses Ga (CH 3 ) as a group III element. 3 (trimethylgallium, hereinafter abbreviated as “TMG”), In (C 2 H 5 ) 3 (triethylindium, abbreviated as “TMI” hereinafter) and Al (CH 3 ) 3 (trimethylaluminum, hereinafter “TMA”). ) Is used as a raw material gas and ammonia vapor is used to form a nitride. In addition, the impurity may be CP 2 Mg (cyclopentadienyl magnesium) as a p-type dopant or SiH 4 (silane) as a source gas as an n-type dopant. The source gas is introduced into the chamber by hydrogen or nitrogen carrier gas. The MOCVD method is a desired Al x Ga y In 1-x based on the manufacturing parameters of the mixed gas flow rate and the substrate temperature obtained by mixing CP 2 Mg or SiH 4 , TMG, TMI, TMA and ammonia source gases at a predetermined ratio. -Y N compounds can be grown. The MOCVD method can control the film thickness of the Al x Ga y In 1-xy N compound by the reaction time. Moreover, the Al x Ga y In 1-xy N compounds having different compositions can be successively stacked by sequentially changing the production parameters at a predetermined reaction time.

半導体素子101は基板12上に第一半導体層15、バンドギャップ変化層16、第二半導体層17及びコンタクト層18を順に積層する。なお、基板12と第一半導体層15との間に一又は二以上の半導体層を積層してもよい。具体的に、半導体素子101は以下のように作成される。基板12をチャンバ内に導入し、前記チャンバ内をキャリアガスで置換すると共に基板12の温度を600〜1100℃程度に昇温する。   In the semiconductor element 101, a first semiconductor layer 15, a band gap change layer 16, a second semiconductor layer 17, and a contact layer 18 are sequentially stacked on a substrate 12. One or more semiconductor layers may be stacked between the substrate 12 and the first semiconductor layer 15. Specifically, the semiconductor element 101 is created as follows. The substrate 12 is introduced into the chamber, the inside of the chamber is replaced with a carrier gas, and the temperature of the substrate 12 is raised to about 600 to 1100 ° C.

次いで、第一半導体層15が成長するTMG、TMI、TMA、アンモニア及びCPMgの混合比の混合ガス(混合ガスG)を導入して、所定の時間基板12上で反応させて第一半導体層15を積層する。例えば、第一半導体層15がノンドープのGaN化合物である場合、TMG及びアンモニアの混合ガスGを使用する。 Next, a mixed gas (mixed gas G) having a mixed ratio of TMG, TMI, TMA, ammonia and CP 2 Mg on which the first semiconductor layer 15 is grown is introduced and reacted on the substrate 12 for a predetermined time. Layer 15 is laminated. For example, when the first semiconductor layer 15 is a non-doped GaN compound, a mixed gas G of TMG and ammonia is used.

次いで、第一半導体層15上にバンドギャップ変化層16を積層する。バンドギャップ変化層16を積層するための反応ガスについては後述する。   Next, the band gap changing layer 16 is stacked on the first semiconductor layer 15. The reaction gas for laminating the band gap change layer 16 will be described later.

次いで、第二半導体層17が成長するTMG、TMI、TMA、アンモニア及びCPMgの混合比の混合ガス(混合ガスH)を導入して、所定の時間バンドギャップ変化層16上で反応させて第二半導体層17を積層する。例えば、第二半導体層17がp型のAl0.08Ga0.92N化合物である場合、TMG、TMA、アンモニア及びCPMgの混合ガスHを使用する。 Next, a mixed gas (mixed gas H) having a mixed ratio of TMG, TMI, TMA, ammonia and CP 2 Mg on which the second semiconductor layer 17 is grown is introduced and reacted on the band gap changing layer 16 for a predetermined time. A second semiconductor layer 17 is stacked. For example, when the second semiconductor layer 17 is a p-type Al 0.08 Ga 0.92 N compound, a mixed gas H of TMG, TMA, ammonia and CP 2 Mg is used.

バンドギャップ変化層16の成長において、反応時刻に応じて混合ガスGから混合ガスHへTMG、TMI、TMA及びアンモニアの混合比を連続的に単調変化させることで、第一半導体層15から第二半導体層17まで積層方向に組成が単調変化し、バンドギャップの急峻な変化のない半導体層を得ることができる。また、CPMgを混合ガスに加えることでバンドギャップ変化層16をp型とすることができる。 In the growth of the band gap change layer 16, the mixture ratio of TMG, TMI, TMA, and ammonia is continuously changed monotonously from the mixed gas G to the mixed gas H according to the reaction time. It is possible to obtain a semiconductor layer whose composition monotonously changes in the stacking direction up to the semiconductor layer 17 and has no steep change in band gap. Further, the band gap change layer 16 can be made p-type by adding CP 2 Mg to the mixed gas.

第二半導体層17を積層した後、コンタクト層18が成長するTMG、アンモニア及びCPMgの混合比の混合ガス(混合ガスI)を導入して、所定の時間第二半導体層17上で反応させてコンタクト層18を積層する。 After the second semiconductor layer 17 is stacked, a mixed gas (mixed gas I) having a mixed ratio of TMG, ammonia, and CP 2 Mg on which the contact layer 18 grows is introduced and reacted on the second semiconductor layer 17 for a predetermined time. Then, the contact layer 18 is laminated.

なお、基板12に前記III族窒化物系化合物を成長させる方法としては、分子線エピタキシャル成長法(MBE法)を利用してもよい。   As a method for growing the group III nitride compound on the substrate 12, a molecular beam epitaxial growth method (MBE method) may be used.

コンタクト層18を積層した後、コンタクト層18上に電極19の素材及び基板12の裏面に電極11の素材を積層する。電極の素材の積層方法としてはスパッタリング法や真空蒸着法を利用できる。   After the contact layer 18 is stacked, the material of the electrode 19 and the material of the electrode 11 are stacked on the contact layer 18 and the back surface of the substrate 12. A sputtering method or a vacuum deposition method can be used as a method for laminating the electrode material.

電極の素材を積層した後、メサ部1を形成する。メサ部1の形成手段として以下に説明する手段が例示される。電極19の素材を積層した後、電極19の素材上に、フォトリソグラフィ法によりストライプ状のレジストパターンを形成する。次いでドライエッチングにより前記レジストパターンがなく露出している電極19の素材から積層方向に第二半導体層16又は第一半導体層15の所望の位置までエッチングする。続いて前記レジストパターンを除去し、メサ部1が完成する。第二半導体層16又は第一半導体層15の膜厚の一部までのエッチングなのでエンドポイント、すなわちメサ部1の高さはエッチング時間で制御する。   After laminating the electrode materials, the mesa portion 1 is formed. Examples of the means for forming the mesa unit 1 are described below. After laminating the material of the electrode 19, a striped resist pattern is formed on the material of the electrode 19 by photolithography. Next, etching is performed by dry etching from the material of the electrode 19 exposed without the resist pattern to a desired position of the second semiconductor layer 16 or the first semiconductor layer 15 in the stacking direction. Subsequently, the resist pattern is removed, and the mesa portion 1 is completed. Since the etching is performed up to a part of the film thickness of the second semiconductor layer 16 or the first semiconductor layer 15, the end point, that is, the height of the mesa portion 1 is controlled by the etching time.

バンドギャップ変化層16の前記一の側の組成を第一半導体層15の組成と等しくし、前記他の側の組成を第二半導体層17の組成と等しくした場合、バンドギャップ変化層16の前記一の側と第一半導体層15とを隣接し、及び前記他の側と第二半導体層17とを隣接するようにバンドギャップ変化層16を積層する。第一半導体層15から第二半導体層17に至るまで組成が連続的に単調変化するため、第一半導体層15から第二半導体層17に至るまでバンドギャップも連続的に単調変化する。例えば、第一半導体層15がGaN化合物であり、第二半導体層17がAl0.08Ga0.92N化合物である場合、バンドギャップ変化層16の前記一の側の組成をGaNとし、前記他の側の組成をAl0.08Ga0.92Nとすることで、第一半導体層15とバンドギャップ変化層16との間及びバンドギャップ変化層16と第二半導体層17との間に急峻な組成の変化がなくなり、第一半導体層15から第二半導体層17に至るまで組成は連続的に単調変化する。 When the composition of the one side of the band gap changing layer 16 is equal to the composition of the first semiconductor layer 15 and the composition of the other side is equal to the composition of the second semiconductor layer 17, the band gap changing layer 16 The band gap changing layer 16 is laminated so that one side is adjacent to the first semiconductor layer 15 and the other side is adjacent to the second semiconductor layer 17. Since the composition continuously changes monotonically from the first semiconductor layer 15 to the second semiconductor layer 17, the band gap also changes monotonously continuously from the first semiconductor layer 15 to the second semiconductor layer 17. For example, when the first semiconductor layer 15 is a GaN compound and the second semiconductor layer 17 is an Al 0.08 Ga 0.92 N compound, the composition of the one side of the band gap change layer 16 is GaN, By setting the composition of the other side to Al 0.08 Ga 0.92 N, between the first semiconductor layer 15 and the band gap change layer 16 and between the band gap change layer 16 and the second semiconductor layer 17. The sharp composition change disappears, and the composition continuously and monotonously changes from the first semiconductor layer 15 to the second semiconductor layer 17.

従って、キャリア輸送を阻害していた分極電荷を分散させることができ、キャリアはメサ部1の中央付近を第二半導体層17から第一半導体層15へ又は第一半導体層15から第二半導体層17へ円滑に移動することができる。例えば、第二半導体層17をp型とした場合、メサ部1の中央付近を正孔は第二半導体層17から第一半導体層15へ円滑に移動することができる。   Accordingly, it is possible to disperse the polarization charge that has hindered carrier transport, and carriers are located near the center of the mesa portion 1 from the second semiconductor layer 17 to the first semiconductor layer 15 or from the first semiconductor layer 15 to the second semiconductor layer. 17 can be moved smoothly. For example, when the second semiconductor layer 17 is p-type, holes can smoothly move from the second semiconductor layer 17 to the first semiconductor layer 15 near the center of the mesa portion 1.

半導体素子101のバンドダイヤグラムの概念図を図2に示す。図2において11aは電極11の領域、12aは基板12の領域、15aは第一半導体層15の領域、16aはバンドギャップ変化層16の領域、17aは第二半導体層17の領域、18aはコンタクト層18の領域及び19aは電極19の領域のバンドギャップを示している。21は価電子帯のトップ準位、22は伝導帯の底部準位である。なお、図2において電極11から基板12まで及びコンタクト層18から電極19までのバンドギャップの一部を省略して表示している。また、以下の説明において、第二半導体層17及びコンタクト層18はp型としている。   A conceptual diagram of a band diagram of the semiconductor element 101 is shown in FIG. In FIG. 2, 11a is a region of the electrode 11, 12a is a region of the substrate 12, 15a is a region of the first semiconductor layer 15, 16a is a region of the band gap changing layer 16, 17a is a region of the second semiconductor layer 17, and 18a is a contact. The region 18 a and the layer 19 a indicate the band gap of the electrode 19 region. 21 is the top level of the valence band, and 22 is the bottom level of the conduction band. In FIG. 2, a part of the band gap from the electrode 11 to the substrate 12 and from the contact layer 18 to the electrode 19 is omitted. In the following description, the second semiconductor layer 17 and the contact layer 18 are p-type.

電極19から注入された正孔は多数キャリアが正孔であるp型のコンタクト層18、第二半導体層17を基板12の方向へ円滑に移動することができる。第一半導体層15のバンドギャップは第二半導体層17のバンドギャップより狭く、バンドギャップ変化層16によって第一半導体層15の価電子帯のトップ準位21と第二半導体層17の価電子帯のトップ準位21とはなだらかに接続され、正孔は価電子帯のトップ準位21に沿ってエネルギー的に安定する第一半導体層15へ移動できる。   The holes injected from the electrode 19 can smoothly move in the direction of the substrate 12 through the p-type contact layer 18 and the second semiconductor layer 17 in which majority carriers are holes. The band gap of the first semiconductor layer 15 is narrower than the band gap of the second semiconductor layer 17, and the band gap changing layer 16 causes the top level 21 of the valence band of the first semiconductor layer 15 and the valence band of the second semiconductor layer 17. The top level 21 is gently connected, and holes can move along the top level 21 of the valence band to the first semiconductor layer 15 that is energetically stable.

従って、メサ部1のバンドギャップ変化層16により第二半導体層17から第一半導体層15の間の正孔輸送が円滑になるため、半導体素子101の正孔は結晶性の良いメサ部1の中央付近をキャリアの流れ91のように移動することができ、メサ部1の電気抵抗を低減することができる。   Accordingly, since the hole gap between the second semiconductor layer 17 and the first semiconductor layer 15 is facilitated by the band gap changing layer 16 of the mesa portion 1, the holes of the semiconductor element 101 are formed in the mesa portion 1 having good crystallinity. The center vicinity can be moved like a carrier flow 91, and the electrical resistance of the mesa unit 1 can be reduced.

すなわち、前記メサ部において前記第二半導体層と前記第一半導体層との間に前記バンドギャップ変化層が配置されたことでキャリアは結晶性が良い前記メサ部の中央部を円滑に移動することができる。   That is, in the mesa portion, the band gap change layer is disposed between the second semiconductor layer and the first semiconductor layer, so that carriers can smoothly move in the central portion of the mesa portion having good crystallinity. Can do.

従って、本願第一の発明により、互いに組成の異なる二の半導体層が積層されたメサ部において、キャリアが円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。   Therefore, according to the first invention of the present application, it is possible to provide a semiconductor element in which carriers can move smoothly in a mesa portion in which two semiconductor layers having different compositions are stacked, and the electrical resistance is low.

また、電気抵抗が低いためビルトイン電圧が低く、半導体素子101に印加する駆動電圧を下げることができる。   Further, since the electric resistance is low, the built-in voltage is low, and the driving voltage applied to the semiconductor element 101 can be lowered.

さらに、メサ部1の側壁付近を移動するキャリアの減少によりメサ部1を覆うパッシベーション材料との反応を減少させることができ、半導体素子101の信頼性向上を図ることができる。   Further, the reaction with the passivation material that covers the mesa portion 1 can be reduced by reducing the number of carriers moving in the vicinity of the side wall of the mesa portion 1, and the reliability of the semiconductor element 101 can be improved.

なお、互いに組成の異なる二のIII族窒化物系化合物の結晶をC軸方向に揃えて積層した場合に前記分極電荷が顕著に現れる。従って、第一半導体層15、バンドギャップ変化層16及び第二半導体層17の積層方向と第一半導体層15の前記III族窒化物系化合物の結晶、バンドギャップ変化層16の前記III族窒化物系化合物の結晶及び第二半導体層17の前記III族窒化物系化合物の結晶のC軸方向とが平行の場合にバンドギャップ変化層16の効果、すなわち前記分極電荷の分散の効果が最も大きくなる。   Note that when the two group III nitride compound crystals having different compositions are laminated in the C-axis direction, the polarization charge appears remarkably. Accordingly, the stack direction of the first semiconductor layer 15, the band gap change layer 16 and the second semiconductor layer 17, the group III nitride compound crystal of the first semiconductor layer 15, and the group III nitride of the band gap change layer 16. The effect of the band gap changing layer 16, that is, the effect of dispersion of the polarization charge is maximized when the crystal of the compound compound and the C-axis direction of the crystal of the group III nitride compound of the second semiconductor layer 17 are parallel. .

従って、本願第一の発明により、互いに組成の異なる二のIII族窒化物系化合物の結晶をC軸方向に揃えて積層したメサ部において、キャリアが円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。   Therefore, according to the first invention of the present application, in the mesa portion in which crystals of two group III nitride compounds having different compositions are aligned in the C-axis direction, carriers can move smoothly, and thus a semiconductor element having low electrical resistance. Can be provided.

(実施の形態2)
本実施形態は、基板上に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、前記第一半導体層の前記基板の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が階段状に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、前記第二半導体層の前記バンドギャップ変化層の側と反対の側に外部から電圧を印加するための電極と、を備える半導体素子であって、積層方向において、前記電極から前記第二半導体層又は前記第一半導体層に至るまでがメサ状であり、前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層から前記第二半導体層に向かって、前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ階段状に単調変化することを特徴とする半導体素子である。
(Embodiment 2)
The present embodiment is a group III nitride layered on a substrate and represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A first compound layer of a physical compound and a layer adjacent to the side of the first semiconductor layer opposite to the substrate side are stacked, and the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1) , 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1), and the band gap changing layer of the group III nitride compound whose composition monotonously changes in a stepwise manner in the stacking direction, and the first of the band gap changing layer It is laminated adjacent to the side opposite to the semiconductor layer side, and is expressed as a composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A second semiconductor layer of a group III nitride compound and a side of the second semiconductor layer opposite to the band gap changing layer side An electrode for applying a voltage, and a mesa shape from the electrode to the second semiconductor layer or the first semiconductor layer in the stacking direction, and the band gap changing layer The band gap is stepped from the first semiconductor layer toward the second semiconductor layer, from a band gap substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer to a band gap substantially equal to the band gap of the second semiconductor layer. It is a semiconductor element characterized by monotonous change.

本願第二の発明に係る一の実施の形態である半導体素子103の断面の概念図を図3に示す。半導体素子103は電極11、基板12、第一半導体層15、バンドギャップ変化層36、第二半導体層17及び電極19を積層して構成される。半導体素子103は基板12上に各半導体層を積層している。   FIG. 3 shows a conceptual diagram of a cross section of a semiconductor element 103 according to an embodiment of the second invention of the present application. The semiconductor element 103 is configured by laminating the electrode 11, the substrate 12, the first semiconductor layer 15, the band gap change layer 36, the second semiconductor layer 17, and the electrode 19. In the semiconductor element 103, each semiconductor layer is stacked on the substrate 12.

積層方向において、前記電極から前記第一半導体層に至るまで、前記電極から前記第一半導体層の一部を含むまで又は前記電極から前記第一半導体層の全部を含むまでがメサ状であってもよい。   In the stacking direction, from the electrode to the first semiconductor layer, from the electrode to a part of the first semiconductor layer, or from the electrode to the entire first semiconductor layer is mesa-shaped. Also good.

半導体素子103は、電極19から第一半導体層15の膜厚の一部までをメサ状に形成し、メサ部3としている。   The semiconductor element 103 forms a mesa portion from the electrode 19 to a part of the film thickness of the first semiconductor layer 15 as a mesa portion 3.

図1で用いた符号と同じ符号は同じ構成及び同じ機能である。半導体素子103と図1の半導体素子101との違いは、バンドギャップ変化層16ではなくバンドギャップ変化層36が第一半導体層15と第二半導体層17との間に配置されていることである。   The same reference numerals as those used in FIG. 1 have the same configuration and the same function. The difference between the semiconductor element 103 and the semiconductor element 101 of FIG. 1 is that the band gap changing layer 36 is disposed between the first semiconductor layer 15 and the second semiconductor layer 17 instead of the band gap changing layer 16. .

なお、半導体素子101同様になお、基板12と第一半導体層15との間に一又は二以上の半導体層を積層してもよい。   Note that one or more semiconductor layers may be stacked between the substrate 12 and the first semiconductor layer 15 as in the semiconductor element 101.

バンドギャップ変化層36は積層方向に組成が階段状に単調変化するAlGaIn1−x−yN化合物の層である。すなわち、バンドギャップ変化層36は積層方向においてバンドギャップ変化層36の一の側から他の側へ前記組成式におけるx及びyの値が階段状に単調変化する組成を有する。具体的にはバンドギャップ変化層36はバンドギャップの異なる複数のAlGaIn1−x−yN化合物薄膜をバンドギャップの幅の広い順又は狭い順に積層して構成される。例えば、バンドギャップ変化層36は、積層方向の前記一の側から積層方向の前記他の側へ向かってそれぞれ膜厚が10(nm)のGaN化合物薄膜、Al0.02Ga0.98N化合物薄膜、Al0.04Ga0.96N化合物薄膜、Al0.06Ga0.94N化合物薄膜及びAl0.08Ga0.92N化合物薄膜を順に積層して構成される。バンドギャップ変化層36のバンドギャップは前記一の側から前記他の側に向かって、最も狭いGaN化合物薄膜のバンドギャップから最も広いAl0.08Ga0.92N化合物薄膜のバンドギャップへ階段状に単調変化する。なお、前記化合物薄膜の組成は不均等に変化させてもよく、前記化合物薄膜の膜厚も不均等であってもよい。バンドギャップ変化層36は組成が階段状に単調変化するため、バンドギャップ変化層36内において前記分極電荷を低減できる。 The band gap changing layer 36 is an Al x Ga y In 1-xy N compound layer whose composition monotonously changes in a stepwise manner in the stacking direction. That is, the band gap changing layer 36 has a composition in which the values of x and y in the composition formula monotonously change in a stepwise manner from one side of the band gap changing layer 36 to the other side in the stacking direction. Specifically, the band gap changing layer 36 is formed by laminating a plurality of Al x Ga y In 1-xy N compound thin films having different band gaps in order of increasing or decreasing band gap width. For example, the band gap changing layer 36 is a GaN compound thin film, Al 0.02 Ga 0.98 N compound having a thickness of 10 nm from the one side in the stacking direction to the other side in the stacking direction. A thin film, an Al 0.04 Ga 0.96 N compound thin film, an Al 0.06 Ga 0.94 N compound thin film, and an Al 0.08 Ga 0.92 N compound thin film are sequentially stacked. The band gap of the band gap changing layer 36 is stepped from the narrowest band gap of the GaN compound thin film to the widest band gap of the Al 0.08 Ga 0.92 N compound thin film from the one side to the other side. Changes monotonously. The composition of the compound thin film may be changed unevenly, and the film thickness of the compound thin film may also be uneven. Since the composition of the band gap change layer 36 changes monotonously in a stepped manner, the polarization charge can be reduced in the band gap change layer 36.

なお、バンドギャップ変化層36の膜厚は3(nm)以上100(nm)未満であることが好ましく、3(nm)以上50(nm)以下であることがより好ましい。   The film thickness of the band gap changing layer 36 is preferably 3 (nm) or more and less than 100 (nm), and more preferably 3 (nm) or more and 50 (nm) or less.

第二半導体素子17がp型の場合、バンドギャップ変化層36にはp型とするために図1のバンドギャップ変化層16で説明した不純物濃度の範囲でp型不純物を添加してもよい。具体的にはp型不純物としてMgが例示され、不純物濃度nは1×1018(cm−3)以上1×1019(cm−3)以下の範囲が例示される。なお、バンドギャップ変化層36の不純物濃度の範囲は図1のバンドギャップ変化層16で説明したように第一半導体層15と第二半導体層17とを隣接した界面に生ずる分極の電荷密度及びバンドギャップ変化層36の積層方向の幅から算出することが好ましい。 When the second semiconductor element 17 is p-type, a p-type impurity may be added to the band gap changing layer 36 in the impurity concentration range described with reference to the band gap changing layer 16 in FIG. Specifically, Mg is exemplified as the p-type impurity, and the impurity concentration n is exemplified by a range of 1 × 10 18 (cm −3 ) to 1 × 10 19 (cm −3 ). The range of the impurity concentration of the band gap changing layer 36 is the charge density and band of polarization generated at the interface between the first semiconductor layer 15 and the second semiconductor layer 17 as described in the band gap changing layer 16 in FIG. It is preferable to calculate from the width of the gap change layer 36 in the stacking direction.

半導体素子103は以下に説明するように作成される。実施の形態1で説明したMOCVD法を用いて基板12上に第一半導体層15、バンドギャップ変化層36、第二半導体層17及びコンタクト層18を順に積層する。バンドギャップ変化層36は所定時間毎に階段状に前記製造パラメータを変更して積層させて作成する。次いで、図1の半導体素子101で説明したようにスパッタリング法や真空蒸着法で電極11及び電極19を積層し、リソグラフィ及びドライエッチングを利用してメサ部3を形成して半導体素子103を作成することができる。   The semiconductor element 103 is created as described below. The first semiconductor layer 15, the band gap change layer 36, the second semiconductor layer 17, and the contact layer 18 are sequentially stacked on the substrate 12 using the MOCVD method described in the first embodiment. The band gap changing layer 36 is formed by changing the manufacturing parameters in a stepped manner every predetermined time. Next, as described for the semiconductor element 101 in FIG. 1, the electrode 11 and the electrode 19 are stacked by sputtering or vacuum deposition, and the mesa portion 3 is formed by using lithography and dry etching to form the semiconductor element 103. be able to.

バンドギャップ変化層36の前記一の側の組成を第一半導体層15の組成と等しくし、前記他の側の組成を第二半導体層17の組成と等しくすることで、図1のバンドギャップ変化層16の効果と同じ効果を得られる。すなわち、バンドギャップ変化層36の前記一の側と第一半導体層15とを隣接し、及び前記他の側と第二半導体層17とを隣接するようにバンドギャップ変化層36を積層することで、第一半導体層15とバンドギャップ変化層36との間及びバンドギャップ変化層36と第二半導体層17との間に急峻な組成の変化がなくなる。従って、キャリアの輸送を阻害していた分極電荷を分散させることができ、メサ部3の中央付近をキャリアは第二半導体層17から第一半導体層15へ円滑に移動することができる。例えば、第二半導体層17をp型とした場合、メサ部3の中央付近を正孔は第二半導体層17から第一半導体層15へ円滑に移動することができる。   By changing the composition of the one side of the band gap changing layer 36 to be equal to the composition of the first semiconductor layer 15 and making the composition of the other side equal to the composition of the second semiconductor layer 17, the band gap change of FIG. The same effect as that of the layer 16 can be obtained. That is, the band gap changing layer 36 is laminated so that the one side of the band gap changing layer 36 and the first semiconductor layer 15 are adjacent to each other, and the other side and the second semiconductor layer 17 are adjacent to each other. In addition, there is no steep composition change between the first semiconductor layer 15 and the band gap change layer 36 and between the band gap change layer 36 and the second semiconductor layer 17. Therefore, the polarization charge that hinders the transport of carriers can be dispersed, and the carriers can smoothly move from the second semiconductor layer 17 to the first semiconductor layer 15 in the vicinity of the center of the mesa portion 3. For example, when the second semiconductor layer 17 is p-type, holes can smoothly move from the second semiconductor layer 17 to the first semiconductor layer 15 near the center of the mesa portion 3.

半導体素子103のバンドダイヤグラムの概念図を図4に示す。図4において図2で用いた符号と同じ符号は同じ積層膜の領域であり同じ機能を有する。図4の半導体素子103のバンドダイヤグラムにおいて図2の半導体素子101のバンドダイヤグラムと異なる部分は第一半導体層15の領域15aと第二半導体層17の領域17aとの間にバンドギャップ変化層16の領域16aがなく、バンドギャップ変化層36の領域36aが表示されていることである。なお、図4においてコンタクト層18から電極19まで及び基板12から電極11までのバンドギャップの一部を省略して表示している。また、以下の説明において第二半導体層17及びコンタクト層18はp型としている。   A conceptual diagram of a band diagram of the semiconductor element 103 is shown in FIG. In FIG. 4, the same reference numerals as those used in FIG. 2 are the same laminated film regions and have the same functions. 4 is different from the band diagram of the semiconductor element 101 in FIG. 2 between the region 15a of the first semiconductor layer 15 and the region 17a of the second semiconductor layer 17 in the band diagram. That is, the area 16a of the band gap changing layer 36 is displayed without the area 16a. In FIG. 4, a part of the band gap from the contact layer 18 to the electrode 19 and from the substrate 12 to the electrode 11 is omitted. In the following description, the second semiconductor layer 17 and the contact layer 18 are p-type.

電極19から注入された正孔は図2の半導体素子101のバンドダイヤグラムで説明したように第二半導体層17へ移動する。   The holes injected from the electrode 19 move to the second semiconductor layer 17 as described in the band diagram of the semiconductor element 101 in FIG.

バンドギャップ変化層36によって第一半導体層15の価電子帯のトップ準位21と第二半導体層17の価電子帯のトップ準位21とは階段状に接続され、正孔は価電子帯のトップ準位21に沿ってエネルギー的に安定する第一半導体層15へ移動できる。   The band gap changing layer 36 connects the top level 21 of the valence band of the first semiconductor layer 15 and the top level 21 of the valence band of the second semiconductor layer 17 in a stepped manner, and the holes are in the valence band. It can move to the first semiconductor layer 15 that is stable in energy along the top level 21.

従って、メサ部3のバンドギャップ変化層36により第二半導体層17から第一半導体層15の間の正孔輸送が円滑になるため、半導体素子103の正孔は結晶性の良いメサ部3の中央付近をキャリアの流れ91のように移動することができ、メサ部3の電気抵抗を低減することができる。   Therefore, the hole gap between the second semiconductor layer 17 and the first semiconductor layer 15 is facilitated by the band gap changing layer 36 of the mesa portion 3, so that the holes of the semiconductor element 103 are formed in the mesa portion 3 having good crystallinity. It is possible to move around the center like a carrier flow 91, and to reduce the electrical resistance of the mesa unit 3.

すなわち、前記メサ部において前記第二半導体層と前記第一半導体層との間に前記バンドギャップ変化層が配置されたことでキャリアは結晶性が良い前記メサ部の中央部を円滑に移動することができる。   That is, in the mesa portion, the band gap change layer is disposed between the second semiconductor layer and the first semiconductor layer, so that carriers can smoothly move in the central portion of the mesa portion having good crystallinity. Can do.

従って、本願第二の発明により、互いに組成の異なる二の半導体層が積層されたメサ部において、キャリアが円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。   Therefore, according to the second invention of the present application, in the mesa portion in which two semiconductor layers having different compositions are laminated, carriers can move smoothly, and a semiconductor element having low electrical resistance can be provided.

さらに、半導体素子103は半導体素子101と同様に駆動電圧の低減、信頼性の向上の効果を得ることができる。   Further, like the semiconductor element 101, the semiconductor element 103 can obtain the effect of reducing the driving voltage and improving the reliability.

なお、半導体素子103は半導体素子101と同様に第一半導体層15、バンドギャップ変化層36及び第二半導体層17において前記III族窒化物系化合物の結晶のC軸を揃えて積層した場合にバンドギャップ変化層36の効果、すなわち前記分極電荷の分散の効果が最も大きくなる。   The semiconductor element 103 is similar to the semiconductor element 101 when the first semiconductor layer 15, the band gap changing layer 36 and the second semiconductor layer 17 are stacked when the C-axis of the group III nitride compound crystal is aligned. The effect of the gap change layer 36, that is, the effect of dispersion of the polarization charge is maximized.

従って、本願第二の発明により、互いに組成の異なる二のIII族窒化物系化合物の結晶をC軸方向に揃えて積層したメサ部において、キャリアが円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。   Therefore, according to the second invention of the present application, in the mesa portion in which crystals of two group III nitride compounds having different compositions are aligned in the C-axis direction, carriers can move smoothly, and thus a semiconductor element having low electrical resistance. Can be provided.

(実施の形態3)
本願第一又は第二の発明に係る半導体素子は、前記基板と前記第一半導体層との間に電子と正孔とが再結合することにより光を発生させる活性層をさらに備え、前記第一半導体層は前記組成式においてx=0及び0.95≦y≦1であり、前記活性層で発生した光を導波する光ガイド層として機能し、前記第二半導体層は前記組成式においてx=m(0.05≦m≦0.1)及びx+y=1の関係であり、前記活性層にキャリアを供給するクラッド層として機能し、且つ前記バンドギャップ変化層は前記組成式において0≦x≦m及びx+y=1の関係の範囲であり、構造全体として半導体レーザとしての機能を有することが好ましい。
(Embodiment 3)
The semiconductor element according to the first or second invention of the present application further includes an active layer that generates light by recombination of electrons and holes between the substrate and the first semiconductor layer, The semiconductor layer has x = 0 and 0.95 ≦ y ≦ 1 in the composition formula, and functions as a light guide layer that guides light generated in the active layer, and the second semiconductor layer has x in the composition formula = M (0.05 ≦ m ≦ 0.1) and x + y = 1, function as a clad layer for supplying carriers to the active layer, and the band gap change layer is 0 ≦ x in the composition formula ≦ m and x + y = 1, and the structure as a whole preferably has a function as a semiconductor laser.

本願第一の発明に係る他の実施形態である半導体素子105の断面の概念図を図5に示す。半導体素子105は電極51、n型基板52、n型下地層53、n側第一半導体層55、n側バンドギャップ変化層56、n型第二半導体層57、活性層54、p側第一半導体層65、p側バンドギャップ変化層66、p型第二半導体層67、p型コンタクト層68及び電極19を備える。図5において図1で用いた符号と同じ符号は同じ積層膜であり同じ機能を有する。半導体素子105は半導体レーザとして機能する。   The conceptual diagram of the cross section of the semiconductor element 105 which is other embodiment which concerns on this invention 1st invention is shown in FIG. The semiconductor element 105 includes an electrode 51, an n-type substrate 52, an n-type underlayer 53, an n-side first semiconductor layer 55, an n-side band gap changing layer 56, an n-type second semiconductor layer 57, an active layer 54, and a p-side first. A semiconductor layer 65, a p-side band gap changing layer 66, a p-type second semiconductor layer 67, a p-type contact layer 68, and an electrode 19 are provided. 5, the same reference numerals as those used in FIG. 1 are the same laminated films and have the same functions. The semiconductor element 105 functions as a semiconductor laser.

n型基板52は半導体薄膜で構成される半導体素子105を物理的に支えるために配置される。半導体素子105の基板として半導体薄膜が良好に成長する素材が選択される。例えば、AlGaIn1−x−yN化合物を積層させる場合はサファイヤが例示される。 The n-type substrate 52 is disposed to physically support the semiconductor element 105 composed of a semiconductor thin film. A material on which a semiconductor thin film can be favorably grown is selected as the substrate of the semiconductor element 105. For example, sapphire is exemplified when an Al x Ga y In 1-xy N compound is laminated.

n型下地層53はn側第一半導体層55の結晶性を向上させることができる。例えば、膜厚1μm以上5μm以下のSiを不純物としてn型としたGaN化合物が例示できる。不純物濃度は5×1017(cm−3)以上1×1019(cm−3)以下であることが例示される。 The n-type underlayer 53 can improve the crystallinity of the n-side first semiconductor layer 55. For example, a GaN compound having n-type Si with a film thickness of 1 μm or more and 5 μm or less can be exemplified. The impurity concentration is exemplified to be 5 × 10 17 (cm −3 ) or more and 1 × 10 19 (cm −3 ) or less.

電極51は半導体素子105に電圧を印加するための陰極としての機能を有する。電極51の素材は図1の電極11の説明と同様にTi/Al/Ti/AuやAl/Auが例示される。   The electrode 51 has a function as a cathode for applying a voltage to the semiconductor element 105. The material of the electrode 51 is exemplified by Ti / Al / Ti / Au and Al / Au as in the description of the electrode 11 in FIG.

活性層54は電子及び正孔の再結合により光を発光する層である。活性層54に採用される素材のバンドギャップにより発光する光の波長が定まる。活性層54に採用される素材は発光効率の高い直接遷移型の半導体であることが好ましい。AlGaIn1−x−yN化合物薄膜を使用することで、組成変更により幅広いバンドギャップを作り出すことができ、所望の波長の半導体発光素子を製造することができる。また、活性層54はバンドギャップが互いに異なる少なくとも二種類の半導体薄膜を交互に配置させることで、バンドギャップの広い方の半導体薄膜を障壁層とし、バンドギャップの狭い方の半導体薄膜を井戸層とした多重量子井戸構造(MQW)とすることもできる。活性層54を前記MQWとすることで特定のエネルギー状態に電子が集中し、小電流でも効率よく発光することが実現できる。MQWとした場合、前記井戸層のバンドギャップで発光する光の波長が定まる。なお、前記MQWの両端を障壁層としてもよく、井戸層としてもよい。例えば、前記障壁層として前記組成式においてx=0、y=q(0.95≦q≦1、好ましくは0.97≦q≦1)、すなわち組成式がGaIn1−qNと表されるIII族窒化物系化合物薄膜と前記井戸層として前記組成式においてx=0、y=p(p<q且つ0.80≦p≦0.95、好ましくは0.85≦q≦0.9)、すなわち組成式がGaIn1−pNと表されるIII族窒化物系化合物薄膜とを組み合わせたMQWが例示される。なお、以下の記載において「組成式がGaIn1−qNと表されるIII族窒化物系化合物」を「GaIn1−qN化合物」と略記し、「組成式がGaIn1−pNと表されるIII族窒化物系化合物」を「GaIn1−pN化合物」と略記する。 The active layer 54 is a layer that emits light by recombination of electrons and holes. The wavelength of the emitted light is determined by the band gap of the material used for the active layer 54. The material employed for the active layer 54 is preferably a direct transition type semiconductor with high luminous efficiency. By using the Al x Ga y In 1-xy N compound thin film, a wide band gap can be created by changing the composition, and a semiconductor light emitting device having a desired wavelength can be manufactured. Further, the active layer 54 is formed by alternately arranging at least two types of semiconductor thin films having different band gaps, so that the semiconductor thin film having the wider band gap is used as the barrier layer, and the semiconductor thin film having the smaller band gap is used as the well layer. A multiple quantum well structure (MQW) can also be used. By setting the active layer 54 to the MQW, electrons can be concentrated in a specific energy state, and light can be efficiently emitted even with a small current. When MQW is used, the wavelength of light emitted by the band gap of the well layer is determined. Note that both ends of the MQW may be barrier layers or well layers. For example, as the barrier layer, x = 0, y = q (0.95 ≦ q ≦ 1, preferably 0.97 ≦ q ≦ 1) in the composition formula, that is, the composition formula is expressed as Ga q In 1-q N. In the composition formula, the group III nitride compound thin film and the well layer are formed with x = 0, y = p (p <q and 0.80 ≦ p ≦ 0.95, preferably 0.85 ≦ q ≦ 0. 9), that the composition formula is a combination of an III nitride compound film represented as Ga p In 1-p N MQW are illustrated. Incidentally, the "composition formula III nitride compound represented as Ga q In 1-q N" is abbreviated to "Ga q In 1-q N compound" in the following description, "a composition formula Ga p an In 1-p N a group III nitride-based compound represented "product is referred to as" Ga p In 1-p N compound ".

前記障壁層の膜厚は5(nm)以上20(nm)以下が好ましく、7(nm)以上15(nm)以下がより好ましい。   The thickness of the barrier layer is preferably 5 (nm) or more and 20 (nm) or less, and more preferably 7 (nm) or more and 15 (nm) or less.

前記井戸層の膜厚は1(nm)以上10(nm)以下が好ましく、3(nm)以上5(nm)以下がより好ましい。   The thickness of the well layer is preferably 1 (nm) to 10 (nm), and more preferably 3 (nm) to 5 (nm).

活性層54の膜厚のうちMQWの膜厚(前記障壁層と前記井戸層との膜厚の合計)は380(nm)以上480(nm)以下であることが好ましい。   Of the film thickness of the active layer 54, the MQW film thickness (the total film thickness of the barrier layer and the well layer) is preferably 380 nm or more and 480 nm or less.

さらに、半導体素子の発光に伴う発熱による熱エネルギーを受けた電子が量子井戸の障壁を越えてp型側の半導体層へ移動してしまうキャリアオーバーフローという現象を防止するAlGaIn1−x−yN化合物の電子バリア層を前記MQWに対してp型側の前記MQWの端に配置してもよい。前記電子バリア層はバンドギャップが広く、伝送帯の底部準位が高いため、前記熱エネルギーを得た電子であっても前記電子バリア層を通過してp型側の半導体層へ移動することができない。例えば、前記電子バリア層として前記組成式においてx=s、x+y=1(0.1≦s≦0.3、好ましくは0.15≦s≦0.25)、すなわち組成式がAlGa1−sNと表されるIII族窒化物系化合物(以下、「組成式がAlGa1−sNと表されるIII族窒化物系化合物」を「AlGa1−sN化合物」と略記する。)薄膜が例示される。前記電子バリア層の膜厚は10(nm)以上30(nm)以下、好ましくは15(nm)以上25(nm)以下であることが例示される。キャリアオーバーフローの電子はp型の半導体層において、発光に携わらない無効キャリアとなって半導体素子の発光効率を低下させるため、活性層54は前記電子バリア層を有することで無効キャリアを減少させることができ、半導体素子の発光効率を高くすることができる。 Further, Al x Ga y In 1-x prevents the phenomenon of carrier overflow, in which electrons receiving heat energy due to heat generated by light emission of the semiconductor element move to the p-type side semiconductor layer beyond the barrier of the quantum well. An electron barrier layer of -yN compound may be disposed at the end of the MQW on the p-type side with respect to the MQW. Since the electron barrier layer has a wide band gap and the bottom level of the transmission band is high, even electrons having obtained the thermal energy can pass through the electron barrier layer and move to the p-type semiconductor layer. Can not. For example, x = s and x + y = 1 (0.1 ≦ s ≦ 0.3, preferably 0.15 ≦ s ≦ 0.25) in the composition formula as the electron barrier layer, that is, the composition formula is Al s Ga 1. group III represented as -s N nitride compound (hereinafter, the "group III nitride based compound composition formula is represented as Al s Ga 1-s N", "Al s Ga 1-s N compound" Abbreviated.) A thin film is illustrated. The film thickness of the electron barrier layer is 10 (nm) or more and 30 (nm) or less, preferably 15 (nm) or more and 25 (nm) or less. In the p-type semiconductor layer, carriers overflowing electrons become ineffective carriers that do not participate in light emission and reduce the light emission efficiency of the semiconductor element. Therefore, the active layer 54 can reduce the number of ineffective carriers by having the electron barrier layer. In addition, the luminous efficiency of the semiconductor element can be increased.

半導体素子105を高効率の半導体レーザとするために、活性層54は前記MQWの井戸層は前記組成式においてp=0.87、すなわちGa0.87In0.13N化合物、前記MQWの障壁層は前記組成式においてq=1、すなわちGaN化合物及び前記電子バリア層は前記組成式においてs=0.2、すなわちAl0.2Ga0.8N化合物であることが望ましい。また、前記井戸層の膜厚は3(nm)、前記障壁層の膜厚は10(nm)及び前記電子バリア層の膜厚は20(nm)であることが望ましい。前記電子バリア層はp型とするために不純物としてMgが添加される。不純物濃度は1×1019(cm−3)以上1×1020(cm−3)以下の範囲であることが例示され、5×1019(cm−3)であることが好ましい。 In order to make the semiconductor element 105 into a highly efficient semiconductor laser, the active layer 54 has the MQW well layer with p = 0.87 in the composition formula, that is, Ga 0.87 In 0.13 N compound, and the MQW barrier. Preferably, the layer is q = 1 in the composition formula, that is, the GaN compound and the electron barrier layer is s = 0.2 in the composition formula, that is, the Al 0.2 Ga 0.8 N compound. The well layer preferably has a thickness of 3 nm, the barrier layer has a thickness of 10 nm, and the electron barrier layer has a thickness of 20 nm. Mg is added as an impurity to make the electron barrier layer p-type. The impurity concentration is, for example, in the range of 1 × 10 19 (cm −3 ) to 1 × 10 20 (cm −3 ) and preferably 5 × 10 19 (cm −3 ).

n型第二半導体層57はAlGaIn1−x−yN化合物の半導体層である。図1の第二半導体層17で説明したAlGa1−mN化合物であることが例示される。半導体素子105を高効率の半導体レーザとするために、Al0.08Ga0.92N化合物であることが望ましい。活性層54に電子を供給するクラッド層として機能させるため、n型第二半導体層57にはキャリア密度を高めるn型不純物が添加される。n型第二半導体層57に添加する不純物としてSiが例示される。n型第二半導体層57の不純物濃度は5×1017(cm−3)以上1×1019(cm−3)以下であることが例示される。n型第二半導体層57の膜厚は300(nm)以上2000(nm)以下が好ましく、400(nm)以上1200(nm)以下であることがより好ましい。 The n-type second semiconductor layer 57 is a semiconductor layer of an Al x Ga y In 1-xy N compound. The Al m Ga 1-m N compound described in the second semiconductor layer 17 in FIG. 1 is exemplified. In order to make the semiconductor element 105 a highly efficient semiconductor laser, it is desirable to use an Al 0.08 Ga 0.92 N compound. In order to make the active layer 54 function as a clad layer for supplying electrons, an n-type impurity for increasing the carrier density is added to the n-type second semiconductor layer 57. Si is exemplified as the impurity added to the n-type second semiconductor layer 57. The impurity concentration of the n-type second semiconductor layer 57 is exemplified to be 5 × 10 17 (cm −3 ) or more and 1 × 10 19 (cm −3 ) or less. The film thickness of the n-type second semiconductor layer 57 is preferably 300 (nm) or more and 2000 (nm) or less, and more preferably 400 (nm) or more and 1200 (nm) or less.

なお、半導体素子105を高効率の半導体レーザとするために、n型第二半導体層57の不純物濃度は3×1018(cm−3)であり、膜厚は1000(nm)であることがさらに好ましい。 In order to make the semiconductor element 105 a highly efficient semiconductor laser, the impurity concentration of the n-type second semiconductor layer 57 is 3 × 10 18 (cm −3 ) and the film thickness is 1000 (nm). Further preferred.

n側第一半導体層55は活性層54で発生した光を反射し、導波する光ガイド層として機能するAlGaIn1−x−yN化合物の半導体層である。n側第一半導体層55の屈折率は活性層54の屈折率より小さくなるようにAlGaIn1−x−yN化合物の組成が設計される。例えば、図1の第一半導体層15で例示したGaN化合物又はGaInN化合物とすることができる。活性層54に不純物が拡散しないようにn側第一半導体層55には不純物は添加されない、又はn型第二半導体層57に添加された不純物の濃度より低い濃度に設計される。また、n側第一半導体層55のバンドギャップは活性層54のバンドギャップより広くかつn型第二半導体層57のバンドギャップより狭く設計される。活性層54が前記MQWである場合、n側第一半導体層55のバンドギャップは前記MQWを構成する障壁層のバンドギャップより広く、n型第二半導体層57のバンドギャップより狭い。n側第一半導体層55の膜厚は図1の第一半導体層15で例示した範囲であることが好ましい。 The n-side first semiconductor layer 55 is an Al x Ga y In 1-xy N compound semiconductor layer that functions as a light guide layer that reflects and guides light generated in the active layer 54. The composition of the Al x Ga y In 1-xy N compound is designed so that the refractive index of the n-side first semiconductor layer 55 is smaller than the refractive index of the active layer 54. For example, the GaN compound or GaInN compound exemplified in the first semiconductor layer 15 of FIG. To prevent the impurities from diffusing into the active layer 54, no impurity is added to the n-side first semiconductor layer 55, or a concentration lower than that of the impurity added to the n-type second semiconductor layer 57 is designed. The band gap of the n-side first semiconductor layer 55 is designed to be wider than the band gap of the active layer 54 and narrower than the band gap of the n-type second semiconductor layer 57. When the active layer 54 is the MQW, the band gap of the n-side first semiconductor layer 55 is wider than the band gap of the barrier layer constituting the MQW and narrower than the band gap of the n-type second semiconductor layer 57. The thickness of the n-side first semiconductor layer 55 is preferably in the range exemplified by the first semiconductor layer 15 in FIG.

半導体素子105を高効率の半導体レーザとするために、n側第一半導体層55はノンドープのGaN化合物又は不純物のSi濃度が1×1018(cm−3)以下の低ドープのGaN化合物であり、膜厚は100(nm)であることが好ましい。 In order to make the semiconductor element 105 a highly efficient semiconductor laser, the n-side first semiconductor layer 55 is a non-doped GaN compound or a low-doped GaN compound having an impurity Si concentration of 1 × 10 18 (cm −3 ) or less. The film thickness is preferably 100 (nm).

n側バンドギャップ変化層56は積層方向に組成が連続的に単調変化するAlGaIn1−x−yN化合物の層である。すなわち、n側バンドギャップ変化層56は積層方向においてn側バンドギャップ変化層56の一の側から他の側へ前記組成式におけるx及びyの値が連続的に単調変化する組成を有する。例えば、n側バンドギャップ変化層56は、図1で説明したバンドギャップ変化層16と同様の組成のIII族窒化物系化合物が例示できる。n側バンドギャップ変化層56は組成が連続的に単調変化するため、n側バンドギャップ変化層56内において前記分極電荷を低減できる。 The n-side band gap changing layer 56 is an Al x Ga y In 1-xy N compound layer whose composition continuously changes monotonously in the stacking direction. That is, the n-side band gap changing layer 56 has a composition in which the values of x and y in the composition formula continuously and monotonously change from one side to the other side in the stacking direction. For example, the n-side band gap change layer 56 can be exemplified by a group III nitride compound having the same composition as the band gap change layer 16 described in FIG. Since the composition of the n-side band gap changing layer 56 continuously monotonously changes, the polarization charge can be reduced in the n-side band gap changing layer 56.

なお、n側バンドギャップ変化層56の膜厚は3(nm)以上100(nm)未満であることが好ましく、3(nm)以上50(nm)以下であることがより好ましい。   The film thickness of the n-side band gap changing layer 56 is preferably 3 (nm) or more and less than 100 (nm), and more preferably 3 (nm) or more and 50 (nm) or less.

n側バンドギャップ変化層56にはn型とするためにn型不純物を添加してもよい。具体的にはn型不純物としてSiが例示され、不純物濃度nは5×1017(cm−3)以上5×1018(cm−3)以下の範囲が例示される。なお、n側バンドギャップ変化層56の不純物濃度の範囲は図1のバンドギャップ変化層16で説明したようにn側第一半導体層55とn型第二半導体層57とを隣接した界面に生ずる分極の電荷密度及びn側バンドギャップ変化層56の積層方向の幅から算出することが好ましい。 An n-type impurity may be added to the n-side band gap changing layer 56 to make it n-type. Specifically, Si is exemplified as the n-type impurity, and the impurity concentration n is exemplified by a range of 5 × 10 17 (cm −3 ) to 5 × 10 18 (cm −3 ). The impurity concentration range of the n-side band gap change layer 56 is generated at the interface between the n-side first semiconductor layer 55 and the n-type second semiconductor layer 57 as described in the band gap change layer 16 of FIG. It is preferable to calculate from the charge density of polarization and the width of the n-side band gap changing layer 56 in the stacking direction.

さらに、半導体素子105を高効率の半導体レーザとするために、n側バンドギャップ変化層56の膜厚は10(nm)、添加される不純物濃度nは1.5×1018(cm−3)以上9×1018(cm−3)以下の範囲であることが例示され、3×1018(cm−3)であることが好ましい。 Further, in order to make the semiconductor element 105 a highly efficient semiconductor laser, the film thickness of the n-side band gap changing layer 56 is 10 (nm), and the impurity concentration n to be added is 1.5 × 10 18 (cm −3 ). The range is 9 × 10 18 (cm −3 ) or less, and preferably 3 × 10 18 (cm −3 ).

p型第二半導体層67はAlGaIn1−x−yN化合物の半導体層である。図1の第二半導体層17で説明したAlGa1−mN化合物であることが例示される。半導体素子105を高効率の半導体レーザとするために、Al0.08Ga0.92N化合物であることが望ましい。活性層54に正孔を供給するクラッド層として機能させるため、p型第二半導体層67にはキャリア密度を高めるp型不純物、例えばMgが添加される。p型第二半導体層67の不純物濃度及び膜厚は図1の第二半導体層17で例示した範囲であることが好ましい。 The p-type second semiconductor layer 67 is a semiconductor layer of Al x Ga y In 1-xy N compound. The Al m Ga 1-m N compound described in the second semiconductor layer 17 in FIG. 1 is exemplified. In order to make the semiconductor element 105 a highly efficient semiconductor laser, it is desirable to use an Al 0.08 Ga 0.92 N compound. In order to function as a cladding layer for supplying holes to the active layer 54, the p-type second semiconductor layer 67 is added with a p-type impurity such as Mg for increasing the carrier density. The impurity concentration and film thickness of the p-type second semiconductor layer 67 are preferably in the ranges exemplified for the second semiconductor layer 17 in FIG.

半導体素子105を高効率の半導体レーザとするために、第二半導体層57の不純物濃度は3×1019(cm−3)であり、膜厚は500(nm)であることがさらに好ましい。 In order to make the semiconductor element 105 into a highly efficient semiconductor laser, the impurity concentration of the second semiconductor layer 57 is more preferably 3 × 10 19 (cm −3 ) and the film thickness is more preferably 500 (nm).

p側第一半導体層65はn側第一半導体層55と同様に光ガイド層として機能するAlGaIn1−x−yN化合物の半導体層である。例えば、図1の第一半導体層15で例示したGaN化合物とすることができる。活性層54に不純物が拡散しないようにp側第一半導体層65には不純物は添加されない、又はp型第二半導体層67に添加された不純物の濃度より低い濃度に設計される。また、p側第一半導体層65のバンドギャップは活性層54のバンドギャップより広くかつp型第二半導体層67のバンドギャップより狭く設計される。活性層54が前記MQWである場合、p側第一半導体層65のバンドギャップは前記MQWを構成する障壁層のバンドギャップより広く、p型第二半導体層67のバンドギャップより狭い。p側第一半導体層65の膜厚は図1の第一半導体層15で例示した範囲であることが好ましい。 The p-side first semiconductor layer 65 is an Al x Ga y In 1-xy N compound semiconductor layer that functions as a light guide layer in the same manner as the n-side first semiconductor layer 55. For example, the GaN compound exemplified in the first semiconductor layer 15 of FIG. To prevent the impurities from diffusing into the active layer 54, no impurities are added to the p-side first semiconductor layer 65, or the concentration is lower than the concentration of impurities added to the p-type second semiconductor layer 67. Further, the band gap of the p-side first semiconductor layer 65 is designed to be wider than the band gap of the active layer 54 and narrower than the band gap of the p-type second semiconductor layer 67. When the active layer 54 is the MQW, the band gap of the p-side first semiconductor layer 65 is wider than the band gap of the barrier layer constituting the MQW and narrower than the band gap of the p-type second semiconductor layer 67. The thickness of the p-side first semiconductor layer 65 is preferably in the range exemplified by the first semiconductor layer 15 in FIG.

半導体素子105を高効率の半導体レーザとするために、p側第一半導体層65はノンドープのGaN化合物又は不純物のMg濃度が1×1019(cm−3)以下の低ドープのGaN化合物であり、膜厚は100(nm)であることが好ましい。 In order to make the semiconductor element 105 a highly efficient semiconductor laser, the p-side first semiconductor layer 65 is a non-doped GaN compound or a low-doped GaN compound having an impurity Mg concentration of 1 × 10 19 (cm −3 ) or less. The film thickness is preferably 100 (nm).

p側バンドギャップ変化層66は積層方向に組成が連続的に単調変化するAlGaIn1−x−yN化合物の層である。図1のバンドギャップ変化層16と同様の構成と効果を有する。例えば、p側バンドギャップ変化層66は、図1で説明したバンドギャップ変化層16と同様の組成のIII族窒化物系化合物が例示できる。また、p側バンドギャップ変化層66にはp型とするために図1のバンドギャップ変化層16で説明した不純物濃度の範囲でp型不純物、例えばMgを添加してもよい。p側バンドギャップ変化層66の膜厚は図1のバンドギャップ変化層16で例示した範囲であることが好ましい。 The p-side band gap changing layer 66 is a layer of an Al x Ga y In 1-xy N compound whose composition continuously changes monotonously in the stacking direction. This has the same configuration and effect as the band gap changing layer 16 of FIG. For example, the p-side band gap changing layer 66 may be a group III nitride compound having the same composition as that of the band gap changing layer 16 described with reference to FIG. In order to make the p-side band gap changing layer 66 p-type, a p-type impurity such as Mg may be added in the impurity concentration range described in the band gap changing layer 16 of FIG. The film thickness of the p-side band gap changing layer 66 is preferably in the range exemplified by the band gap changing layer 16 in FIG.

さらに、半導体素子105を高効率の半導体レーザとするために、p側バンドギャップ変化層66の膜厚は10(nm)、添加される不純物濃度nは1.5×1018(cm−3)以上9×1018(cm−3)以下の範囲であることが例示され、3×1018(cm−3)であることが好ましい。 Further, in order to make the semiconductor element 105 a highly efficient semiconductor laser, the thickness of the p-side band gap changing layer 66 is 10 (nm), and the impurity concentration n to be added is 1.5 × 10 18 (cm −3 ). The range is 9 × 10 18 (cm −3 ) or less, and preferably 3 × 10 18 (cm −3 ).

p型コンタクト層68の構成と効果は図1のコンタクト層18と同様である。半導体素子105を高効率の半導体レーザとするために、p型コンタクト層68の膜厚は50(nm)であることが望ましい。   The configuration and effect of the p-type contact layer 68 are the same as those of the contact layer 18 of FIG. In order to make the semiconductor element 105 a highly efficient semiconductor laser, the thickness of the p-type contact layer 68 is desirably 50 (nm).

半導体素子105は以下に説明するように作成される。実施の形態1で説明したMOCVD法を用いてn型基板52上にn型下地層53、n側第一半導体層55、n側バンドギャップ変化層56、n型第二半導体層57、活性層54、p側第一半導体層65、p側バンドギャップ変化層66、p型第二半導体層67及びp型コンタクト層68を順に積層する。その後、図1の半導体素子101で説明したようにメサ部5を形成する。   The semiconductor element 105 is created as described below. Using the MOCVD method described in the first embodiment, an n-type base layer 53, an n-side first semiconductor layer 55, an n-side band gap changing layer 56, an n-type second semiconductor layer 57, and an active layer are formed on the n-type substrate 52. 54, a p-side first semiconductor layer 65, a p-side band gap changing layer 66, a p-type second semiconductor layer 67, and a p-type contact layer 68 are laminated in this order. Thereafter, the mesa portion 5 is formed as described in the semiconductor element 101 of FIG.

その後、電極51を形成する箇所の陰電極部Mの半導体層を除去するために再度リソグラフィ技術を用いて陽電極部Pの上層を覆うレジストパターンを作り、ドライエッチングで陰電極部Mのp型コンタクト層68からn型下地層53の膜厚の一部までの半導体層を除去する。n型下地層53の膜厚の一部までのエッチングなのでエンドポイント、すなわち陰電極部Mに残すn型下地層53の膜厚はエッチング時間で制御する。   Thereafter, in order to remove the semiconductor layer of the negative electrode portion M where the electrode 51 is to be formed, a resist pattern that covers the upper layer of the positive electrode portion P is formed again using a lithography technique, and the p-type of the negative electrode portion M is formed by dry etching. The semiconductor layer from the contact layer 68 to a part of the thickness of the n-type underlayer 53 is removed. Since the etching is performed up to a part of the thickness of the n-type underlayer 53, the end point, that is, the thickness of the n-type underlayer 53 left in the negative electrode portion M is controlled by the etching time.

陰電極部Mを形成した後、MOCVD法、リソグラフィ技術及びドライエッチングを利用して電極51を形成する。   After forming the negative electrode portion M, the electrode 51 is formed using the MOCVD method, the lithography technique, and dry etching.

半導体素子105の活性層54に対して極性がp型の側は図1の半導体素子101の第一半導体層15、バンドギャップ変化層16、第二半導体層17及びコンタクト層18をそれぞれp側第一半導体層65、p側バンドギャップ変化層66、p型第二半導体層67及びp型コンタクト層68に代替したものである。   On the side of the p-type polarity with respect to the active layer 54 of the semiconductor element 105, the first semiconductor layer 15, the band gap changing layer 16, the second semiconductor layer 17 and the contact layer 18 of the semiconductor element 101 of FIG. This is a substitute for the one semiconductor layer 65, the p-side band gap changing layer 66, the p-type second semiconductor layer 67 and the p-type contact layer 68.

半導体素子105のバンドダイヤグラムの概念図を図6に示す。図6において51aは電極51の領域、53aはn型下地層53の領域、55aはn側第一半導体層55の領域、57aはn型第二半導体層57の領域、54aは活性層54の領域、65aはp側第一半導体層65の領域、66aはp側バンドギャップ変化層66の領域、67aはp型第二半導体層67の領域、68aはp型コンタクト層68の領域及び19aはストライプ形状電極19の領域のバンドギャップを示している。21は価電子帯のトップ準位、22は伝導帯の底部準位である。図6のバンドダイヤグラムにおいて半導体素子105の活性層54はMQW構造であり、前記MQWに対してp型側の前記MQWの端に電子バリア層を有している。活性層54の領域54aにおいて54bは井戸層の領域、54cは障壁層の領域、54dは電子バリア層の領域を示している。なお、図6において電極51からn型下地層53まで及びp型コンタクト層68から電極19までのバンドギャップの一部を省略して表示している。   A conceptual diagram of a band diagram of the semiconductor element 105 is shown in FIG. In FIG. 6, 51 a is a region of the electrode 51, 53 a is a region of the n-type underlayer 53, 55 a is a region of the n-side first semiconductor layer 55, 57 a is a region of the n-type second semiconductor layer 57, and 54 a is the active layer 54. The region 65a is the region of the p-side first semiconductor layer 65, 66a is the region of the p-side band gap changing layer 66, 67a is the region of the p-type second semiconductor layer 67, 68a is the region of the p-type contact layer 68, and 19a is The band gap of the stripe-shaped electrode 19 is shown. 21 is the top level of the valence band, and 22 is the bottom level of the conduction band. In the band diagram of FIG. 6, the active layer 54 of the semiconductor element 105 has an MQW structure, and has an electron barrier layer at the end of the MQW on the p-type side with respect to the MQW. In the region 54a of the active layer 54, 54b represents a well layer region, 54c represents a barrier layer region, and 54d represents an electron barrier layer region. In FIG. 6, a part of the band gap from the electrode 51 to the n-type underlayer 53 and from the p-type contact layer 68 to the electrode 19 is omitted.

電極19を陽極として、電極51を陰極として電圧を印加することで電極51から電子が、電極19から正孔が半導体素子105に注入される。   By applying a voltage with the electrode 19 as an anode and the electrode 51 as a cathode, electrons are injected from the electrode 51 and holes are injected from the electrode 19 into the semiconductor element 105.

電極51から注入された電子は多数キャリアが電子であるn型のn型下地層53及びn型第二半導体層57を活性層54の方向へ円滑に移動することができる。n側第一半導体層55のバンドギャップはn型第二半導体層57のバンドギャップより狭く、n側バンドギャップ変化層56によってn側第一半導体層55の伝導帯の底部準位22とn型第二半導体層57の伝導帯の底部準位22とはなだらかに接続され、電子は伝導帯の底部準位22に沿ってエネルギー的に安定するn側第一半導体層55へ移動できる。また、n側第一半導体層55とn型第二半導体層57との間には急峻な組成変化が無く、電子輸送を妨げていた前記分極電荷が分散するため、電子はn型第二半導体層57からn側第一半導体層55へ円滑に移動できる。電子はn側第一半導体層55のバンドギャップより狭い活性層54の各井戸層に集中する。   The electrons injected from the electrode 51 can smoothly move in the direction of the active layer 54 through the n-type n-type underlayer 53 and the n-type second semiconductor layer 57 in which majority carriers are electrons. The band gap of the n-side first semiconductor layer 55 is narrower than the band gap of the n-type second semiconductor layer 57, and the n-side band gap changing layer 56 and the bottom level 22 of the conduction band of the n-side first semiconductor layer 55 and the n-type. The second semiconductor layer 57 is gently connected to the bottom level 22 of the conduction band, and electrons can move along the bottom level 22 of the conduction band to the n-side first semiconductor layer 55 that is energetically stable. In addition, since there is no steep composition change between the n-side first semiconductor layer 55 and the n-type second semiconductor layer 57 and the polarization charge that has hindered electron transport is dispersed, the electrons are n-type second semiconductor. It can move smoothly from the layer 57 to the n-side first semiconductor layer 55. The electrons are concentrated in each well layer of the active layer 54 that is narrower than the band gap of the n-side first semiconductor layer 55.

一方、電極19から注入された正孔は図2の半導体素子101のバンドダイヤグラムで説明したようにp型コンタクト層68、p型第二半導体層67、p側バンドギャップ変化層66を通過してp側第一半導体層65に移動する。p側第一半導体層65へ移動した正孔はp側第一半導体層65のバンドギャップより狭い活性層54の各井戸層に集中する。なお、活性層54の電子バリア層は広いバンドギャップを有するが、価電子帯のトップ準位21が高いため、正孔の移動に対する前記電子バリア層の影響は少ない。   On the other hand, the holes injected from the electrode 19 pass through the p-type contact layer 68, the p-type second semiconductor layer 67, and the p-side band gap changing layer 66 as described in the band diagram of the semiconductor element 101 of FIG. It moves to the p-side first semiconductor layer 65. The holes that have moved to the p-side first semiconductor layer 65 are concentrated in each well layer of the active layer 54 that is narrower than the band gap of the p-side first semiconductor layer 65. Although the electron barrier layer of the active layer 54 has a wide band gap, the electron barrier layer has little influence on the movement of holes because the top level 21 of the valence band is high.

活性層54は活性層54の各井戸層に集中した前記電子及び前記正孔が再結合することにより量子井戸の価電子帯のトップ準位21と伝導帯の底部準位22との間で表現されるバンドギャップに応じた波長の光を発光する。   The active layer 54 is expressed between the top level 21 of the valence band of the quantum well and the bottom level 22 of the conduction band by recombination of the electrons and holes concentrated in each well layer of the active layer 54. The light of the wavelength according to the band gap to be emitted is emitted.

従って、本願発明により、互いに組成の異なる二の半導体層が積層されたメサ部において、キャリアが円滑に移動でき、もって電気抵抗の低い半導体レーザとして機能する半導体素子を提供することができる。   Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor element that functions as a semiconductor laser having low electrical resistance, in which carriers can smoothly move in a mesa portion in which two semiconductor layers having different compositions are stacked.

さらに、半導体素子105は半導体素子101と同様に駆動電圧の低減、信頼性の向上の効果を得ることができる。   Further, like the semiconductor element 101, the semiconductor element 105 can obtain an effect of reducing driving voltage and improving reliability.

なお、半導体素子105において、p側バンドギャップ変化層66の代替として図3で説明したバンドギャップ変化層36を配置しても同様の効果を得ることができる。また、n側バンドギャップ変化層56の代替として、積層方向に組成が階段状に単調変化するAlGaIn1−x−yN化合物の層を配置しても同様の効果を得ることができる。 In the semiconductor element 105, the same effect can be obtained even if the band gap changing layer 36 described with reference to FIG. 3 is provided as an alternative to the p-side band gap changing layer 66. Further, as an alternative to the n-side band gap changing layer 56, the same effect can be obtained even if an Al x Ga y In 1-xy N compound layer whose composition monotonously changes in the stacking direction is arranged. it can.

本願発明の半導体素子の構成は発光素子及び受光素子として利用することができる。また、トランジスタやダイオード等の電子デバイス、HEMTに代表されるような化合物高周波用電子デバイスにも利用することができる。   The configuration of the semiconductor element of the present invention can be used as a light emitting element and a light receiving element. Moreover, it can utilize also for electronic devices, such as a transistor and a diode, and a compound high frequency electronic device represented by HEMT.

本願第一の発明に係る一の実施の形態である半導体素子101の構成概念図である。1 is a configuration conceptual diagram of a semiconductor element 101 according to an embodiment of the first invention of the present application. 本願第一の発明に係る一の実施の形態である半導体素子101のバンドダイヤグラムの概念図である。It is a conceptual diagram of the band diagram of the semiconductor element 101 which is one embodiment according to the first invention of the present application. 本願第二の発明に係る一の実施の形態である半導体素子103の構成概念図である。It is a composition conceptual diagram of semiconductor element 103 which is one embodiment concerning the 2nd invention of this application. 本願第二の発明に係る一の実施の形態である半導体素子103のバンドダイヤグラムの概念図である。It is a conceptual diagram of the band diagram of the semiconductor element 103 which is one embodiment according to the second invention of the present application. 本願第一の発明に係る他の実施の形態である半導体素子105の構成概念図である。It is a composition conceptual diagram of semiconductor element 105 which is other embodiments concerning the 1st invention of this application. 本願第一の発明に係る他の実施の形態である半導体素子105のバンドダイヤグラムの概念図である。It is a conceptual diagram of the band diagram of the semiconductor element 105 which is other embodiment which concerns on 1st invention of this application. 従来の半導体素子107の構成概念図である。It is a composition conceptual diagram of the conventional semiconductor element 107.

符号の説明Explanation of symbols

101、103、105、107 半導体素子
1、3、5、7 メサ部
11、19、51 電極
12 基板
15 第一半導体層
16、36 バンドギャップ変化層
17 第二半導体層
18 コンタクト層
52 n型基板
53 n型下地層
54 活性層
55 n側第一半導体層
56 n側バンドギャップ変化層
57 n型第二半導体層
65 p側第一半導体層
66 p側バンドギャップ変化層
67 p型第二半導体層
68 p型コンタクト層
11a 電極11の領域
12a 基板12の領域
15a 第一半導体層15の領域
16a バンドギャップ変化層16の領域
17a 第二半導体層17の領域
18a コンタクト層18の領域
19a 電極19の領域
36a バンドギャップ変化層36の領域
51a 電極51の領域
53a n型下地層53の領域
54a 活性層54の領域
54b 活性層54の井戸層の領域
54c 活性層54の障壁層の領域
54d 活性層54の電子バリア層の領域
55a n側第一半導体層55の領域
56a n側バンドギャップ変化層56の領域
57a n型第二半導体層57の領域
65a p側第一半導体層65の領域
66a p側バンドギャップ変化層66の領域
67a p型第二半導体層67の領域
68a p型コンタクト層68の領域
21 価電子帯のトップ準位
22 伝導帯の底部準位
91 キャリアの流れ
M 陰電極部
P 陽電極部
101, 103, 105, 107 Semiconductor element 1, 3, 5, 7 Mesa portion 11, 19, 51 Electrode 12 Substrate
DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 1st semiconductor layer 16, 36 Band gap change layer 17 2nd semiconductor layer 18 Contact layer 52 n-type substrate 53 n-type base layer 54 Active layer 55 n-side first semiconductor layer 56 n-side band gap change layer 57 n-type first Two semiconductor layers 65 p-side first semiconductor layer 66 p-side band gap change layer 67 p-type second semiconductor layer 68 p-type contact layer 11a region of electrode 11 12a region of substrate 12 15a region of first semiconductor layer 15 16a band gap Change layer 16 region 17a Second semiconductor layer 17 region 18a Contact layer 18 region 19a Electrode 19 region 36a Band gap change layer 36 region 51a Electrode 51 region 53a N-type underlayer 53 region 54a Active layer 54 region Region 54b Well layer region 54c of active layer 54c Barrier layer region 54d of active layer 54d Active layer 54 Region of electron barrier layer 55a region of n-side first semiconductor layer 55a region of n-side band gap changing layer 56a region of n-type second semiconductor layer 57a region of p-side first semiconductor layer 65 66a p-side band Region of gap changing layer 66a Region of p-type second semiconductor layer 67 68a Region of p-type contact layer 68 21 Top level of valence band 22 Bottom level of conduction band 91 Carrier flow M Negative electrode portion P Positive electrode Part

Claims (7)

基板上に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、
前記第一半導体層の前記基板の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が連続的に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、
前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、
前記第二半導体層の前記バンドギャップ変化層の側と反対の側に外部から電圧を印加するための電極と、
を備える半導体素子であって、
積層方向において、前記電極から前記第二半導体層又は前記第一半導体層に至るまでがメサ状であり、
前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層から前記第二半導体層に向かって、前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ連続的に単調変化することを特徴とする半導体素子。
A group III nitride compound stacked on a substrate and represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A semiconductor layer;
The first semiconductor layer is laminated adjacent to the side opposite to the substrate side, and the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y). ≦ 1), a band gap changing layer of a group III nitride compound whose composition continuously changes monotonously in the stacking direction;
The band gap change layer is stacked adjacent to the side opposite to the first semiconductor layer side, and the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, A second semiconductor layer of a group III nitride compound represented by 0 ≦ x + y ≦ 1),
An electrode for applying a voltage from the outside to the side opposite to the band gap changing layer side of the second semiconductor layer;
A semiconductor device comprising:
In the stacking direction, from the electrode to the second semiconductor layer or the first semiconductor layer is a mesa shape,
The band gap of the band gap change layer is substantially equal to the band gap of the second semiconductor layer from the band gap substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer from the first semiconductor layer toward the second semiconductor layer. A semiconductor element characterized by continuously monotonously changing to a band gap.
基板上に積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第一半導体層と、
前記第一半導体層の前記基板の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表され、積層方向に組成が階段状に単調変化するIII族窒化物系化合物のバンドギャップ変化層と、
前記バンドギャップ変化層の前記第一半導体層の側と反対の側に隣接して積層され、組成式AlGaIn1−x−yN(0≦x≦1、0≦y≦1、0≦x+y≦1)と表されるIII族窒化物系化合物の第二半導体層と、
前記第二半導体層の前記バンドギャップ変化層の側と反対の側に外部から電圧を印加するための電極と、
を備える半導体素子であって、
積層方向において、前記電極から前記第二半導体層又は前記第一半導体層に至るまでがメサ状であり、
前記バンドギャップ変化層のバンドギャップは、前記第一半導体層から前記第二半導体層に向かって、前記第一半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップから前記第二半導体層のバンドギャップと略等しいバンドギャップへ階段状に単調変化することを特徴とする半導体素子。
A group III nitride compound stacked on a substrate and represented by the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y ≦ 1). A semiconductor layer;
The first semiconductor layer is laminated adjacent to the side opposite to the substrate side, and the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, 0 ≦ x + y). ≦ 1), a band gap changing layer of a group III nitride compound whose composition monotonously changes stepwise in the stacking direction;
The band gap change layer is stacked adjacent to the side opposite to the first semiconductor layer side, and the composition formula Al x Ga y In 1-xy N (0 ≦ x ≦ 1, 0 ≦ y ≦ 1, A second semiconductor layer of a group III nitride compound represented by 0 ≦ x + y ≦ 1),
An electrode for applying a voltage from the outside to the side opposite to the band gap changing layer side of the second semiconductor layer;
A semiconductor device comprising:
In the stacking direction, from the electrode to the second semiconductor layer or the first semiconductor layer is a mesa shape,
The band gap of the band gap change layer is substantially equal to the band gap of the second semiconductor layer from the band gap substantially equal to the band gap of the first semiconductor layer from the first semiconductor layer toward the second semiconductor layer. A semiconductor element characterized by monotonically changing to a band gap in a stepped manner.
前記第二半導体層はp型であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体素子。   The semiconductor element according to claim 1, wherein the second semiconductor layer is p-type. 前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅は3(nm)以上100(nm)未満であることを特徴とする請求項1から3に記載のいずれかの半導体素子。   4. The semiconductor element according to claim 1, wherein the width of the band gap change layer in the stacking direction is 3 (nm) or more and less than 100 (nm). 5. 前記第一半導体層、前記バンドギャップ変化層及び前記第二半導体層の積層方向と前記第一半導体層のIII族窒化物系化合物の結晶、前記バンドギャップ変化層のIII族窒化物系化合物の結晶及び前記第二半導体層のIII族窒化物系化合物の結晶のC軸方向とが平行であることを特徴とする請求項1から4に記載のいずれかの半導体素子。   The stacking direction of the first semiconductor layer, the band gap change layer, and the second semiconductor layer and the crystal of the group III nitride compound of the first semiconductor layer, the crystal of the group III nitride compound of the band gap change layer 5. The semiconductor element according to claim 1, wherein the C-axis direction of the group III nitride compound crystal of the second semiconductor layer is parallel. 前記第一半導体層のIII族窒化物系化合物と前記第二半導体層のIII族窒化物系化合物とを隣接した界面に生ずる分極の電荷密度をρ(cm−2)、前記バンドギャップ変化層の積層方向の幅をd(cm)と表したとき、前記バンドギャップ変化層に添加される不純物の不純物濃度n(cm−3)は、0.5ρ/d≦n≦3ρ/dの範囲であることを特徴とする請求項1から5に記載のいずれかの半導体素子。 The charge density of polarization generated at an adjacent interface between the group III nitride compound of the first semiconductor layer and the group III nitride compound of the second semiconductor layer is ρ (cm −2 ), and the band gap change layer When the width in the stacking direction is expressed as d (cm), the impurity concentration n (cm −3 ) of the impurity added to the band gap change layer is in the range of 0.5ρ / d ≦ n ≦ 3ρ / d. The semiconductor device according to claim 1, wherein the semiconductor device is a semiconductor device. 前記基板と前記第一半導体層との間に電子と正孔とが再結合することにより光を発生させる活性層をさらに備え、
前記第一半導体層は前記組成式においてx=0及び0.95≦y≦1であり、前記活性層で発生した光を導波する光ガイド層として機能し、
前記第二半導体層は前記組成式においてx=m(0.05≦m≦0.1)及びx+y=1の関係であり、前記活性層にキャリアを供給するクラッド層として機能し、
且つ前記バンドギャップ変化層は前記組成式において0≦x≦m及びx+y=1の関係の範囲であり、
構造全体として半導体レーザとしての機能を有することを特徴とする請求項3から6に記載のいずれかの半導体素子。


An active layer that generates light by recombination of electrons and holes between the substrate and the first semiconductor layer;
The first semiconductor layer has x = 0 and 0.95 ≦ y ≦ 1 in the composition formula, and functions as a light guide layer for guiding light generated in the active layer,
The second semiconductor layer has a relationship of x = m (0.05 ≦ m ≦ 0.1) and x + y = 1 in the composition formula, and functions as a clad layer for supplying carriers to the active layer,
And the band gap change layer is in the range of the relationship of 0 ≦ x ≦ m and x + y = 1 in the composition formula,
7. The semiconductor device according to claim 3, wherein the entire structure has a function as a semiconductor laser.


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