JP2006324279A - Semiconductor element - Google Patents
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Abstract
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。
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
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AlxGayIn1−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AlxGayIn1−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AlxGayIn1−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AlxGayIn1−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AlxGayIn1−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AlxGayIn1−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AlxGayIn1−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AlxGayIn1−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AlmGa1−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AlxGayIn1−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AlxGayIn1−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AlxGayIn1−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
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
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
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
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AlxGayIn1−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AlxGayIn1−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「AlxGayIn1−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(Al2O3)、窒化ガリウム(GaN)又は炭化珪素(SiC)が例示される。
The
第二半導体層17はAlxGayIn1−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AlmGa1−mNと表されるIII族窒化物系化合物(以下、「組成式がAlmGa1−mNと表されるIII族窒化物系化合物」を「AlmGa1−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
第一半導体層15はAlxGayIn1−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
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AlxGayIn1−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
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
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
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。
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。
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
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
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AlxGayIn1−x−yN化合物薄膜の場合、MOCVD法はIII属元素としてGa(CH3)3(トリメチルガリウム、以下「TMG」と略記する。)、In(C2H5)3(トリエチルインジウム、以下「TMI」と略記する。)及びAl(CH3)3(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CP2Mg(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SiH4(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CP2Mg又はSiH4、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AlxGayIn1−x−yN化合物を成長させることができる。MOCVD法はAlxGayIn1−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AlxGayIn1−x−yN化合物を連続して積層することができる。
When the
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
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CP2Mg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
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
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CP2Mg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CP2Mg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
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、CP2Mg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
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CP2Mg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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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AlxGayIn1−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AlxGayIn1−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AlxGayIn1−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
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
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
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
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AlxGayIn1−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AlxGayIn1−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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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、AlxGayIn1−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-
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-
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
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。AlxGayIn1−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GaqIn1−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GapIn1−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GaqIn1−qNと表されるIII族窒化物系化合物」を「GaqIn1−qN化合物」と略記し、「組成式がGapIn1−pNと表されるIII族窒化物系化合物」を「GapIn1−pN化合物」と略記する。
The
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
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AlxGayIn1−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AlsGa1−sNと表されるIII族窒化物系化合物(以下、「組成式がAlsGa1−sNと表されるIII族窒化物系化合物」を「AlsGa1−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
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
n型第二半導体層57はAlxGayIn1−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AlmGa1−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
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
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AlxGayIn1−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AlxGayIn1−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
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
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AlxGayIn1−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
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
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
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
p型第二半導体層67はAlxGayIn1−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AlmGa1−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
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
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AlxGayIn1−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
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
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AlxGayIn1−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
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
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-
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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AlxGayIn1−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
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.
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
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)
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AlxGayIn1−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AlxGayIn1−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.
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AlxGayIn1−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AlxGayIn1−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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