JP2006344689A - 半導体素子 - Google Patents

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Abstract

【課題】
超格子層を構成する互いにバンドギャップが異なる半導体薄膜は互いに結晶構造が異なることが多く、キャリアは結晶構造の異なる前記半導体薄膜間において生じた分極の電場によるクーロン斥力を受ける。従って、前記半導体薄膜の積層数を増加し、前記超格子層の膜厚を厚くすれば、キャリアが通過する半導体薄膜数が増加するため、キャリアは積層方向への移動が困難になるという課題を有している。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、不純物濃度を高めることなく、不純物の活性化を促してキャリア密度を高め、もって信頼性が高く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。
【解決手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体素子は、積層方向にバンドギャップが連続的に単調変化する複数のバンドギャップ変化薄膜から構成される半導体層を備えることとした。
【選択図】図７

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。
近年、複数の異なる種類の半導体薄膜を積層して形成される半導体超格子構造が注目されている。例えば、数ｎｍといった電子の波長と同程度の二種類の半導体薄膜を交互に積層させると、前記二種類の半導体薄膜のバンドギャップが交互に形成され、積層方向にバンドギャップが変化することになる。従って、半導体超格子構造において量子井戸と呼ばれるバンドギャップの狭い部分が電子の波長と同程度の間隔で積層方向に並ぶことになる。複数の量子井戸に電子及び正孔を閉じ込めることで、閉じ込められた電子及び正孔は波の性質を呈し、トンネル効果、量子波(電子の波)の回折や干渉等の量子効果を生ずる。従って、超格子構造の半導体はバルクの半導体とは異なる物性及び機能を呈するため、前記超格子構造の半導体を利用して超高速、超低消費電力のデバイスや、全く新しい動作原理を持つデバイスの開発が可能となる。例えば、ＧａＮ系窒化物半導体を利用した青紫レーザーダイオードの開発もされている（例えば、特許文献１参照。）。
従来の半導体素子９００の断面の概念図を図１３に示す。半導体素子９００は基板１２上に超格子層１１３を備える。超格子層１１３は互いにバンドギャップが異なる半導体薄膜１１８と半導体薄膜１１９を交互に積層して構成される。以下の説明において、半導体薄膜１１８及び半導体薄膜１１９は基板１２側から枝番号を付しているが、特に前記枝番号を付さずに半導体薄膜１１８と記載する場合は枝番号を付した半導体薄膜１１８に全てに共通する説明である。半導体薄膜１１９についても同様である。図１３の超格子層１１３は半導体薄膜１１８と半導体薄膜１１８よりバンドギャップが広い半導体薄膜１１９との組を６組積層している。半導体素子９００のバンドダイヤグラムの概念図を図１４に示す。図１４において、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。また、１２ａは基板１２の領域、１１３ａは超格子層１１３の領域、１１８ａ−１から１１８ａ−６までは半導体層１１８−１から１１８−６の領域及び１１９ａ−１から１１９ａ−６までは半導体層１１９−１から１１９−６の領域のバンドギャップを示している。超格子層１１３には半導体薄膜１１８と半導体薄膜１１９との間毎にバンドギャップが急峻に変化している部分（以下、「バンドギャップが急峻に変化している部分」を「バンドギャップ急峻変化部」と略記する。）が存在している。
特開平１１−１７７１７５号公報。
超格子層の極性を定めるため又はキャリア密度を高め電気抵抗を下げるため、超格子層に不純物を添加することも多い。しかし、不純物濃度を高めれば超格子層の結晶性が悪化するため、添加した不純物の活性化率が低下し、不純物の添加量を増加しても超格子層のキャリア密度を一定値以上に高くすることができない。また、不純物濃度を所定値以上に高くすることは、前記超格子構造の半導体層に隣接する他の半導体層へ不純物が拡散し、半導体素子の信頼性の劣化をもたらすことになる。
一方、超格子層を構成する半導体薄膜は互いに結晶構造が異なることが多く、分極特性や格子定数の違いにより前記バンドギャップ急峻変化部において自発分極や格子歪起因のピエゾ分極（以下、「自発分極や格子歪起因のピエゾ分極」を「分極」と略記する。）に起因する分極電荷が生ずる。図１４において伝導帯の底部準位２２の上に表示した＋、−は前記分極で生じた分極電荷の種類を模式的に表示している。＋は正の分極電荷を、−は負の分極電荷を示している。前記分極電荷は添加される不純物の活性化率を向上させることができる。従って、前記分極電荷を積極的に利用することで、不純物の活性化率を制御し、前記超格子層のキャリア密度を高めることができる。しかし、前記分極電荷が増加すれば、前記分極電荷からキャリアが受けるクーロン力は大きくなるため、キャリア輸送を阻害し、かえって、超格子層の電気抵抗は高くなる。
従って、半導体素子の信頼性維持と円滑なキャリア輸送を両立することは困難であるという課題があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、不純物濃度を高めることなく、不純物の活性化を促してキャリア密度を高め、もって信頼性が高く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。
前記目的を達成するために、本発明に係る半導体素子は、積層方向にバンドギャップが連続的に単調変化する複数のバンドギャップ変化薄膜から構成される半導体層を備える。
具体的には、本発明は、積層方向にバンドギャップが連続的に単調変化するバンドギャップ変化薄膜を複数連続して積層する半導体層を備える半導体素子であって、前記半導体層は、隣接する少なくとも二つの前記バンドギャップ変化薄膜のバンドギャップの単調変化する方向が同一であることを特徴とする半導体素子である。
前記バンドギャップ変化薄膜のバンドギャップは積層方向に連続的に単調変化するため、前記バンドギャップ変化薄膜内の結晶構造も積層方向に連続的に単調変化する。従って、前記バンドギャップ変化薄膜内に前記分極電荷は広く分散し、前記分極電荷が分散した範囲において前記分極電荷は不純物を活性化させ前記バンドギャップ変化薄膜のキャリア密度を高め、電気抵抗を低減することができる。また、前記分極電荷が分散していることでキャリア移動を阻害するクーロン力は小さくなる。
従って、前記バンドギャップ変化薄膜のバンドギャップの変化する方向（以下、「バンドギャップの変化する方向」を「バンドギャップ変化方向」と略記する。）を揃えて複数積層した前記半導体層において、キャリアは前記バンドギャップ変化薄膜の積層方向へ円滑に移動することができる。
従って、本発明は不純物濃度を高めることなく、不純物の活性化を促してキャリア密度を高め、もって信頼性が高く電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。
本発明に係る半導体素子において、前記半導体層は、バンドギャップの単調変化する方向が同一である少なくとも二つの隣接する前記バンドギャップ変化薄膜の間にヘテロ界面を有することが好ましい。
バンドギャップ変化方向を揃えて積層することで、一のバンドギャップ変化薄膜と隣接する他のバンドギャップ変化層とは互いに組成が異なる側が隣接することになる。従って、前記バンドギャップ変化薄膜間にはヘテロ界面が生じ、バンドギャップ急峻変化部が生ずる。前記へテロ界面においてバンドギャップ変化方向はいずれも等しくなるため、前記分極は類似し、同種の分極電荷が発生する（以下、「ヘテロ界面に生ずる分極電荷」を「接合分極電荷」と略記する。）。従って、前記半導体層を移動するキャリアの種類及び移動方向に応じて前記バンドギャップ変化薄膜のバンドギャップ変化方向を定めることで、キャリア輸送を制御することができる。
従って、本発明は不純物濃度を高めることなく、不純物の活性化を促してキャリア密度を高め、もって信頼性が高く電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。
前記目的を達成するために、本発明は、積層方向にバンドギャップが連続的に単調変化するバンドギャップ変化薄膜を複数連続して積層する半導体層を備える半導体素子であって、前記半導体層は、隣接する少なくとも二つの前記バンドギャップ変化薄膜のバンドギャップの単調変化する方向が互いに逆であることを特徴とする半導体素子である。
本発明に係る半導体層は、一のバンドギャップ変化薄膜のバンドギャップ変化方向と隣接する他のバンドギャップ変化薄膜のバンドギャップ変化方向とが互いに逆方向となるように積層する。前記バンドギャップ変化薄膜の内部はキャリア密度が高く、キャリア輸送を阻害するクーロン力が小さいため、前記半導体層において、キャリアは前記バンドギャップ変化薄膜の積層方向へ円滑に移動することができる。
従って、本発明は不純物濃度を高めることなく、不純物の活性化を促してキャリア密度を高め、もって信頼性が高く電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。
本発明に係る半導体素子において、前記半導体層は、バンドギャップの単調変化する方向が互いに逆である少なくとも二つの隣接する前記バンドギャップ変化薄膜の間にヘテロ界面が非形成であることが好ましい。
隣接するバンドギャップ変化薄膜のバンドギャップ変化方向が互いに逆方向となるように積層することで、一のバンドギャップ変化薄膜と隣接する他のバンドギャップ変化薄膜とは組成が等しい側同士が隣接することになる。従って、前記バンドギャップ変化薄膜間にはヘテロ界面は生じず、前記接合分極電荷は発生しない。ゆえに、キャリアは前記バンドギャップ変化薄膜間を円滑に移動できる。
従って、本発明は不純物濃度を高めることなく、不純物の活性化を促してキャリア密度を高め、もって信頼性が高く電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。
本発明に係る半導体素子において、前記バンドギャップ変化薄膜は組成式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物からなる窒化物系半導体であることが好ましい。
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、バンドギャップを単調変化させることができるため、前記ＩＩＩ族窒化物系化合物は前記バンドギャップ変化薄膜として利用することができる。
従って、本発明は不純物濃度を高めることなく、不純物の活性化を促してキャリア密度を高め、もって信頼性が高く電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。
前記ＩＩＩ族窒化物系化合物からなる窒化物系半導体において、前記バンドギャップ変化薄膜はｎ型不純物としてＳｉを含有してもよい。
前記ＩＩＩ族窒化物系化合物からなる窒化物系半導体において、前記バンドギャップ変化薄膜はｐ型不純物としてＭｇを含有してもよい。
前記ＩＩＩ族窒化物系化合物からなる窒化物系半導体は不純物Ｓｉを含有することでｎ型半導体となり、不純物Ｍｇを含有することでｐ型半導体となる。ゆえに前記ＩＩＩ族窒化物系化合物の薄膜を積層した前記半導体層はｐ型とすることも、ｎ型とすることもできる。
従って、本発明は極性がｐ型であってもｎ型であっても不純物濃度を高めることなく、不純物の活性化を促してキャリア密度を高め、もって信頼性が高く電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。
本発明の半導体素子において、外部から電子を供給する陰電極と、外部から正孔を供給する陽電極と、前記陰電極からの前記電子と前記陽電極からの前記正孔との再結合により光を発生する活性層と、をさらに備え、前記陽電極から前記活性層への正孔の移動経路において、前記バンドギャップ変化薄膜の積層方向と前記活性層の積層方向とが平行となるように前記活性層と前記陽電極との間に前記半導体層を配置又は／及び前記陰電極から前記活性層への電子の移動経路において、前記バンドギャップ変化薄膜の積層方向と前記活性層の積層方向とが平行となるように前記活性層と前記陰電極との間に前記半導体層を配置してもよい。
前記半導体層は電気抵抗が低いため、前記半導体層を前記活性層と前記陽電極との間に配置することで、正孔は前記陽電極から前記活性層へ円滑に移動できる。一方、前記半導体層を前記活性層と前記陰電極との間に配置することで、電子は前記陰電極から前記活性層へ円滑に移動できる。
従って、本発明は不純物濃度を高めることなく、不純物の活性化を促してキャリア密度を高め、もって信頼性が高く電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。
本発明により、不純物濃度を高めることなく、不純物の活性化を促してキャリア密度を高め、もって信頼性が高く電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。
以下、本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、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。
（実施の形態１）
本実施形態は、積層方向にバンドギャップが連続的に単調変化するバンドギャップ変化薄膜を複数連続して積層する半導体層を備える半導体素子であって、前記半導体層は、隣接する少なくとも二つの前記バンドギャップ変化薄膜のバンドギャップの単調変化する方向が同一であることを特徴とする半導体素子である。
本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、基板１２、第一半導体層１３を順に備える。第一半導体層１３は積層方向にバンドギャップ変化薄膜２８を複数積層して構成される。
図１において、バンドギャップ変化薄膜２８は基板１２側から枝番号を付しているが、以下の説明において、特に前記枝番号を付さずにバンドギャップ変化薄膜２８と記載する場合は全ての枝番号を付したバンドギャップ変化薄膜２８に全てに共通する説明である。
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の基板として第一半導体層１３等の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。）を積層させる場合は窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化珪素（ＳｉＣ）又はサファイヤ（Ａｌ２Ｏ３）が例示される。
バンドギャップ変化薄膜２８は積層方向にバンドギャップが連続的に単調変化する半導体薄膜である。バンドギャップ変化薄膜２８のバンドギャップ変化方向はバンドギャップ変化薄膜２８の基板１２側（一の側）のバンドギャップがバンドギャップ変化薄膜２８の基板１２と反対側（他の側）のバンドギャップより狭くなる方向である。バンドギャップ変化薄膜２８は組成が連続的に単調変化するため、前記分極電荷はバンドギャップ変化薄膜２８内で分散して発生し、バンドギャップ変化薄膜２８のキャリア密度が高まる。また、分散して発生した前記分極電荷によるクーロン力は小さく、キャリアはバンドギャップ変化薄膜２８内を積層方向に円滑に移動することができる。
例えば、前記バンドギャップ変化薄膜は組成式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物からなる窒化物系半導体であることが例示できる。
ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物は組成を変化させることでバンドギャップを変化させることができる半導体である。従って、積層方向にバンドギャップ変化薄膜２８の前記組成式のｘ及びｙを連続的に単調変化させることで、積層方向にバンドギャップ変化薄膜２８のバンドギャップを単調変化させることができる。例えば、バンドギャップ変化薄膜２８は、バンドギャップ変化薄膜２８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、バンドギャップ変化薄膜２８の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とすることができる。従って、バンドギャップ変化層２８のバンドギャップは前記一の側から前記他の側へ向かって広くなる。なお、バンドギャップ変化層２８のバンドギャップは前記一の側から前記他の側へ直線的に変化するのではなく、前記一の側付近及び前記他の側付近におけるバンドギャップの変化量は少なく、且つ前記一の側と前記他の側との中央付近でバンドギャップの変化量が最大となることが好ましい。
バンドギャップ変化薄膜２８の膜厚は２（ｎｍ）以上５０（ｎｍ）以下、好ましくは２（ｎｍ）以上１０（ｎｍ）以下であることが好ましい。
バンドギャップ変化薄膜２８は極性をｐ型とするためにｐ型不純物を添加することが好ましい。バンドギャップ変化薄膜２８がＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物である場合、ｐ型不純物としてＭｇが例示される。不純物濃度は、１×１０１８（ｃｍ−３）以上１×１０２０（ｃｍ−３）の範囲が例示される。
図１の第一半導体層１３は積層方向にバンドギャップ変化薄膜２８−１、２８−２、２８−３、２８−４、２８−５及び２８−６を連続して積層して構成される。
なお、半導体素子１０１の用途に応じ、バンドギャップ変化薄膜２８の数を調整して第一半導体層１３の膜厚を変更することができる。例えば、第一半導体層１３の膜厚は１００（ｎｍ）以上２０００（ｎｍ）以下、好ましくは２００（ｎｍ）以上５００（ｎｍ）以下であることが例示される。
前記半導体層は、バンドギャップの単調変化する方向が同一である少なくとも二つの隣接する前記バンドギャップ変化薄膜の間にヘテロ界面を有してもよい。
第一半導体層１３はバンドギャップ変化薄膜２８のみを積層するため、隣接するバンドギャップ変化薄膜２８の間にヘテロ界面が形成される。
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法は原料ガスを反応炉（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原料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。原料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作製することができる。
バンドギャップ変化薄膜１８がＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の場合、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）ガスも同様にチャンバに導き入れることができる。ＭＯＣＶＤ法はＣＰ２Ｍｇ又はＳｉＨ４、ＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ及びアンモニアを所定の混合比で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。
具体的に、半導体素子１０１は以下のように作製される。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の温度を摂氏６００度から摂氏１１００度程度に昇温する。
以下、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。
次いでバンドギャップ変化薄膜２８−１の基板１２に接触する側の組成となる前記ＩＩＩ族窒化物系化合物が成長する製造パラメータでＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ及びアンモニアの混合ガスを反応炉に導入して加熱し、ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物を成長させ始める。バンドギャップ変化薄膜２８−１の成長において、反応時間に応じてＴＭＧ、ＴＭＩ、ＴＭＡ及びアンモニアの蒸気の流量を連続的に単調変化させてＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物を成長させることで、積層方向に組成が単調変化するバンドギャップ変化薄膜２８−１を得ることができる。バンドギャップ変化薄膜２８−１をｐ型とする場合にはＣＰ２Ｍｇを前記混合ガスに加える。
次いで、基板１２の上面に成長させたバンドギャップ変化薄膜２８−１の上面にバンドギャップ変化薄膜２８−２を同様に成長させる。以降、同様にしてバンドギャップ変化薄膜２８−３からバンドギャップ変化薄膜２８−６までを成長させる。
従って、ＭＯＣＶＤ法により基板１２に複数のバンドギャップ変化薄膜２８を連続して積層させ、半導体素子１０１を作製することができる。
なお、基板１２に前記ＩＩＩ族窒化物系化合物薄膜を成長させる方法としては、ＭＢＥ法を利用してもよい。
ｐ型のバンドギャップ変化薄膜２８を積層した第一半導体層１３を備えた半導体素子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。また、１２ａは基板１２の領域、１３ａは第一半導体層１３の領域のバンドギャップを示している。２８ａ−１、２８ａ−２、２８ａ−３、２８ａ−４、２８ａ−５及び２８ａ−６はそれぞれバンドギャップ変化薄膜２８−１、２８−２、２８−３、２８−４、２８−５及び２８−６の領域のバンドギャップを示している。なお、以下に説明するバンドダイヤグラムの図面において伝導帯の底部準位２２の上に記載された＋及び−は半導体層に発生する分極電荷を模式的に表したものである。
バンドギャップ変化薄膜２８はｐ型であるため、バンドギャップ変化薄膜２８内に正の分極電荷が分散して発生し、不純物の活性化を行う。一方、バンドギャップ変化薄膜２８間のヘテロ界面には負の接合分極電荷が発生する。バンドギャップ変化薄膜２８内の分極電荷より接合分極電荷の値が大きいため、図２のバンドダイヤグラムでは−を大きく表示している。第一半導体層１３には、図１４のバンドダイヤグラムに示す従来の超格子層に周期的に存在して正孔輸送を阻害していた正の分極電荷が分散し、正孔輸送を助力していた負の分極電荷のみが周期的に存在するようになる。従って、正孔は電気抵抗が低いバンドギャップ変化薄膜２８を積層した第一半導体層１３を基板１２の方向へ円滑に移動することができる。
従って、本発明は不純物濃度を高めることなく、不純物の活性化を促してキャリア密度を高め、もって信頼性が高く電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。
（実施の形態２）
本発明に係る他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、基板１２、第二半導体層３３を順に備える。図３において図１で用いた符号と同じ符号は同じ層又は薄膜であり同じ機能を有する。半導体素子１０３の半導体素子１０１との違いは、第一半導体層１３を備えず、第二半導体層３３を備えたことである。第二半導体層３３は積層方向にバンドギャップ変化薄膜４８を複数積層して構成される。バンドギャップ変化薄膜４８の枝番号を付さない説明はバンドギャップ変化薄膜４８に全てに共通する説明である。
バンドギャップ変化薄膜４８はバンドギャップ変化薄膜２８と同様に積層方向にバンドギャップが連続的に単調変化する半導体薄膜である。バンドギャップ変化薄膜４８のバンドギャップ変化薄膜２８との違いはバンドギャップ変化方向がバンドギャップ変化薄膜２８と異なることである。すなわち、バンドギャップ変化薄膜４８のバンドギャップ変化方向はバンドギャップ変化薄膜４８の基板１２側（一の側）のバンドギャップがバンドギャップ変化薄膜４８の基板１２と反対側（他の側）のバンドギャップより広くなる方向である。
バンドギャップ変化薄膜４８はバンドギャップ変化薄膜２８と同様にＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物とすることができる。なお、バンドギャップ変化層４８はバンドギャップ変化層２８と同様に、前記一の側付近及び前記他の側付近における変化量は少なく、且つ前記一の側と前記他の側との中央付近でバンドギャップの変化量が最大となることが好ましい。
バンドギャップ変化薄膜４８の膜厚はバンドギャップ２８で例示される膜厚であることが好ましい。
バンドギャップ変化薄膜４８は極性をｎ型とするためにｎ型不純物を添加することが好ましい。バンドギャップ変化薄膜４８がＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物である場合、ｎ型不純物としてＳｉが例示される。不純物濃度は、１×１０１７（ｃｍ−３）以上１×１０１９（ｃｍ−３）の範囲が例示される。
図３の第二半導体層３３は積層方向にバンドギャップ変化薄膜４８−１、４８−２、４８−３、４８−４、４８−５及び４８−６を積層して構成される。第二半導体層３３はバンドギャップ変化薄膜４８のみを積層するため、隣接するバンドギャップ変化薄膜４８の間にヘテロ界面が形成される。
なお、半導体素子１０３の用途に応じ、バンドギャップ変化薄膜４８の数を調整して第二半導体層３３の膜厚を変更することができる。例えば、第二半導体層３３の膜厚は３００（ｎｍ）以上２０００（ｎｍ）以下、好ましくは４００（ｎｍ）以上１２００（ｎｍ）以下であることが例示できる。
半導体素子１０３は図１の半導体素子１０１で説明したＭＯＣＶＤ法で作製することができる。
ｎ型のバンドギャップ変化薄膜４８を積層した第二半導体層３３を備えた半導体素子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。また、１２ａは基板１２の領域、３３ａは第二半導体層３３の領域のバンドギャップを示している。４８ａ−１、４８ａ−２、４８ａ−３、４８ａ−４、４８ａ−５及び４８ａ−６はそれぞれバンドギャップ変化薄膜４８−１、４８−２、４８−３、４８−４、４８−５及び４８−６の領域のバンドギャップを示している。
バンドギャップ変化薄膜４８はｎ型であるため、バンドギャップ変化薄膜４８内に負の分極電荷が分散して発生し、不純物の活性化を行う。一方、バンドギャップ変化薄膜４８間のヘテロ界面には正の接合分極電荷が発生する。バンドギャップ変化薄膜４８内の分極電荷より接合分極電荷の値が大きいため、図４のバンドダイヤグラムでは＋を大きく表示している。第二半導体層３３には、図１４のバンドダイヤグラムに示す従来の超格子層に周期的に存在し、電子輸送を阻害していた負の分極電荷が分散し、電子輸送を助力していた正の分極電荷のみが周期的に存在するようになる。従って、電子は電気抵抗が低いバンドギャップ変化薄膜４８を積層した第二半導体層３３を基板１２の方向へ円滑に移動することができる。
従って、本発明は不純物濃度を高めることなく、不純物の活性化を促してキャリア密度を高め、もって信頼性が高く電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。
（実施の形態３）
本実施形態は、積層方向にバンドギャップが連続的に単調変化するバンドギャップ変化薄膜を複数連続して積層する半導体層を備える半導体素子であって、前記半導体層は、隣接する少なくとも二つの前記バンドギャップ変化薄膜のバンドギャップの単調変化する方向が互いに逆であることを特徴とする半導体素子である。
本発明に係る他の実施の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、基板１２、第三半導体層５３を順に備える。図５において図１で用いた符号と同じ符号は同じ層又は薄膜であり同じ機能を有する。半導体素子１０５と図１の半導体素子１０１との違いは、第一半導体層１３を備えず、第三半導体層５３を備えたことである。
第三半導体層５３はバンドギャップ変化薄膜２８とバンドギャップ変化薄膜４８とを交互に積層して構成される。従って、第三半導体層５３の電気抵抗は低い。
前記半導体層は、バンドギャップの単調変化する方向が互いに逆である少なくとも二つの隣接する前記バンドギャップ変化薄膜の間にヘテロ界面が非形成である。
バンドギャップ変化薄膜２８とバンドギャップ変化薄膜４８との間は結晶構造が略等しくなり、バンドギャップ変化薄膜２８とバンドギャップ変化薄膜４８との間にヘテロ界面は形成されない。ゆえに、バンドギャップ変化薄膜２８とバンドギャップ変化薄膜４８との間に前記接合分極電荷は生じない。
半導体素子１０５は図１の半導体素子１０１と同様にＭＯＣＶＤ法で基板１２の上面に複数のバンドギャップ変化薄膜２８及びバンドギャップ変化薄膜４８を連続して積層して作製することができる。
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。また、１２ａは基板１２の領域、５３ａは第三半導体層５３の領域を示している。２８ａ−１、４８ａ−２、２８ａ−３、４８ａ−４、２８ａ−５及び４８ａ−６はそれぞれバンドギャップ変化薄膜２８−１、４８−２、２８−３、４８−４、２８−５及び４８−６の領域のバンドギャップを示している。バンドギャップ変化薄膜２８からバンドギャップ変化薄膜４８へ及びバンドギャップ変化薄膜４８からバンドギャップ変化薄膜２８へバンドギャップは連続して変化するため、第三半導体層５３のバンドギャップは積層方向に連続的に増減を繰り返し、バンドギャップ急峻変化部は生じない。ゆえに第三半導体層５３においてキャリアはクーロン力を受けないため、バンドギャップ変化薄膜２８及びバンドギャップ変化薄膜４８の積層方向へ円滑に移動することができる。
従って、本発明は不純物濃度を高めることなく、つまり信頼性の劣化をもたらすことなく、不純物の活性化を促し、キャリア密度を高めた電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。
（実施の形態４）
本実施形態は、外部から電子を供給する陰電極と、外部から正孔を供給する陽電極と、前記陰電極からの前記電子と前記陽電極からの前記正孔との再結合により光を発生する活性層と、をさらに備え、前記陽電極から前記活性層への正孔の移動経路において、前記バンドギャップ変化薄膜の積層方向と前記活性層の積層方向とが平行となるように前記活性層と前記陽電極との間に前記半導体層を配置又は／及び前記陰電極から前記活性層への電子の移動経路において、前記バンドギャップ変化薄膜の積層方向と前記活性層の積層方向とが平行となるように前記活性層と前記陰電極との間に前記半導体層を配置することを特徴とする半導体素子である。
本発明に係る他の実施の形態である半導体素子１０７の断面の概念図を図７に示す。半導体素子１０７は電極７１、ｎ型下地層７２、ｎ型第五半導体層７３、ｎ側第六半導体層７４、活性層７５、ｐ側第七半導体層７６、ｐ型第八半導体層１７７、ｐ型コンタクト層７８及びストライプ形状電極７９を備える。半導体素子１０７は基板１２上に各半導体層を積層しており、活性層７５に対してストライプ形状電極７９の側の半導体層、すなわち活性層７５に対してｐ型側において少なくともｐ型第八半導体層１７７及びｐ型コンタクト層７８をｐ型としている。一方、活性層７５に対して基板１２の側の半導体層、すなわち活性層７５に対してｎ型側において少なくともｎ型第五半導体層７３及びｎ型下地層７２をｎ型としている。半導体素子１０７は基板１２に対し、電極７１とストライプ形状電極７９が同一の側に配置された半導体発光素子である。なお、図７において図１で用いた符号と同じ符号は同じ層又は薄膜であり同じ機能及び構成を有する。
電極７１及びストライプ形状電極７９は半導体素子１０７に電圧を印加するために配置される。電極７１は陰電極として、ストライプ形状電極７９は陽電極として機能する。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発光素子としての効率を損なうため、電極７１及びストライプ形状電極７９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７１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ストライプ形状電極７９の素材としては、Ｎｉ／Ａｕ、Ｐｄ／Ａｕ及びＰｔ／Ａｕが例示される。
ストライプ形状電極７９は活性層７５の一部にキャリアを集中させて供給するためｐ型コンタクト層７８上に帯状に配置される。
活性層７５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７５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７５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作製することができる。また、活性層７５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７５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≦ｐ≦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ＧａＮと表されるＩＩＩ族窒化物系化合物」を「ＧａＮ化合物」と略記し、「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。
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。
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。
活性層７５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。
さらに、半導体発光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前記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発光素子の発光効率を低下させるため、活性層７５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、半導体発光素子の発光効率を高くすることができる。
なお、半導体素子１０７が半導体レーザである場合、活性層７５の前記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。
ｎ型第五半導体層７３はＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の半導体層である。ｎ型第五半導体層７３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≦０．１）、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。ｎ型第五半導体層７３は活性層７５に電子を供給するため、キャリア密度を高めるｎ型不純物、例えばＳｉが添加される。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。ｎ型第五半導体層７３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。
なお、半導体素子１０７が半導体レーザである場合、ｎ型第五半導体層７３は活性層７５に電子を供給するクラッド層として機能させるため、膜厚が１０００（ｎｍ）の前記組成式においてｍ＝０．０８、すなわちＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ化合物であり、不純物のＳｉ濃度は３×１０１８（ｃｍ−３）であることが望ましい。
ｎ側第六半導体層７４はＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の半導体層である。活性層７５に不純物が拡散しないようにｎ側第六半導体層７４には不純物は添加されない、又はｎ型第五半導体層７３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側第六半導体層７４のバンドギャップは活性層７５のバンドギャップより広くかつｎ型第五半導体層７３のバンドギャップより狭く設計される。活性層７５が前記ＭＱＷである場合、ｎ側第六半導体層７４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型第五半導体層７３のバンドギャップより狭い。具体的には、ｎ側第六半導体層７４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化合物とすることが例示される。なお、ｎ側第六半導体層７４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。ｎ側第六半導体層７４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。
なお、半導体素子１０７が半導体レーザである場合、ｎ側第六半導体層７４は活性層７５で発生した光を反射し、導波する光ガイド層として機能させるために膜厚が１００（ｎｍ）のノンドープの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化合物であることが望ましい。
ｐ型第八半導体層１７７は図１の半導体素子１０１で説明した第一半導体層１３と同じ構成であり、同じ効果を有する。ｐ型第八半導体層１７７のバンドギャップ変化薄膜２８はｐ型とするためにｐ型不純物としてＭｇが添加される。
なお、半導体素子１０７が半導体レーザである場合、ｐ型第八半導体層１７７は活性層７５に正孔を供給するクラッド層として機能させるため、膜厚が５００（ｎｍ）となるようにバンドギャップ変化薄膜２８を積層する。また、不純物のＭｇ濃度は３×１０１９（ｃｍ−３）であることが望ましい。
ｐ側第七半導体層７６はＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の半導体層である。活性層７５に不純物が拡散しないようにｐ側第七半導体層７６には不純物は添加されない、又はｐ型第八半導体層１７７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側第七半導体層７６のバンドギャップは活性層７５のバンドギャップより広く設計される。活性層７５が前記ＭＱＷである場合、ｐ側第七半導体層７６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型第八半導体層１７７のバンドギャップより狭い。具体的には、ｐ側第七半導体層７６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化合物とすることが例示される。なお、ｐ側第七半導体層７６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。ｐ側第七半導体層７６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。
なお、半導体素子１０７が半導体レーザである場合、ｐ側第七半導体層７６は活性層７５で発生した光を反射し、導波する光ガイド層として機能させるために膜厚が１００（ｎｍ）のノンドープの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化合物であることが望ましい。
ｐ型コンタクト層７８はストライプ形状電極７９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。ｐ型コンタクト層７８がＧａＮ化合物の場合、添加する不純物としてＭｇが例示される。
なお、半導体素子１０７が半導体レーザである場合、ｐ型コンタクト層７８は膜厚が５０（ｎｍ）のＭｇを不純物としてｐ型としたＧａＮ化合物であることが望ましい。
ｎ型下地層７２はｎ型下地層７２上に積層する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。
半導体素子１０７の各半導体層は図１の半導体素子１０１で説明したＭＯＣＶＤ法で基板１２上に順に積層することができる。
ｐ型コンタクト層７８を積層した後、ｐ型コンタクト層７８上にストライプ形状電極７９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。
電極の素材を積層した後、ストライプ形状電極７９を形成する。ストライプ形状電極７９を形成する方法としてはリソグラフィ技術とドライエッチングを用いることができる。リソグラフィ技術によりストライプ状のレジストパターンを形成し、ストライプ形状電極７９の素材をストライプ状にエッチングする。ストライプ形状電極７９の素材とｐ型コンタクト層７８、例えばＧａＮ化合物との選択比の高いエッチングガスを用いることでｐ型コンタクト層７８をエッチングストップ層として前記レジストパターンに覆われていないストライプ形状電極７９の素材を良好にエッチングすることができる。続いてレジストを除去することでストライプ形状電極７９を形成することができる。
続いて、電極７１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７８からｎ型下地層７２の膜厚の一部までの半導体層を除去する。ｎ型下地層７２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７２の膜厚はエッチング時間で制御する。
陰電極部Ｍを形成した後、ストライプ形状電極７９の形成と同様にして電極７１を形成する。
半導体素子１０７のバンドダイヤグラムの概念図を図８に示す。図８において７１ａは電極７１の領域、７２ａはｎ型下地層７２の領域、７３ａはｎ型第五半導体層７３の領域、７４ａはｎ側第六半導体層７４の領域、７５ａは活性層７５の領域、７６ａはｐ側第七半導体層７６の領域、１７７ａはｐ型第八半導体層１７７の領域、７８ａはｐ型コンタクト層７８の領域及び７９ａはストライプ形状電極７９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８のバンドダイヤグラムにおいて半導体素子１０７の活性層７５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７５の領域７５ａにおいて７５ｂは井戸層の領域、７５ｃは障壁層の領域、７５ｄは電子バリア層の領域を示している。なお、図８において電極７１からｎ型下地層７２まで及びｐ型コンタクト層７８からストライプ形状電極７９までのバンドギャップの一部を省略して表示している。なお、図８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。
ストライプ形状電極７９を陽電極として、電極７１を陰電極として電圧を印加することで電極７１から電子が、ストライプ形状電極７９から正孔が半導体素子１０７に注入される。
電極７１から注入された電子は多数キャリアが電子であるｎ型下地層７２及びｎ型第五半導体層７３を活性層７５の方向へ円滑に移動することができる。ｎ側第六半導体層７４のバンドギャップはｎ型第五半導体層７３のバンドギャップより狭いため、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側第六半導体層７４へ移動できる。電子はｎ側第六半導体層７４より狭いバンドギャップの活性層７５の各井戸層に集中する。
一方、ストライプ形状電極７９から注入された正孔は多数キャリアが正孔であるｐ型コンタクト層７８を活性層７５の方向へ円滑に移動することができる。ｐ型第八半導体層１７７において、ｐ型コンタクト層７８から移動してきた正孔は図１の半導体素子１０１で説明したように、円滑に活性層７５の方向へ移動することができる。ｐ側第七半導体層７６へ移動した正孔はｐ側第七半導体層７６のバンドギャップより狭い活性層７５の各井戸層に集中する。なお、活性層７５のｐ型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、正孔の移動への影響は少ない。
活性層７５は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。
ｐ型第八半導体層１７７を備えたことにより、ｐ型第八半導体層１７７の膜厚が厚い場合でも正孔は円滑にｐ型コンタクト層７８からｐ側第七半導体層７６へ移動することができる。
従って、本発明は不純物濃度を高めることなく、つまり信頼性の劣化をもたらすことなく、不純物の活性化を促し、キャリア密度を高めた電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。
（実施の形態５）
本発明に係る他の実施の形態である半導体素子１０９の断面の概念図を図９に示す。半導体素子１０９は電極７１、ｎ型下地層７２、ｎ型第五半導体層１７３、ｎ側第六半導体層７４、活性層７５、ｐ側第七半導体層７６、ｐ型第八半導体層７７、ｐ型コンタクト層７８及びストライプ形状電極７９を備える。半導体素子１０９は半導体素子１０７と同様に基板１２に対し、電極７１とストライプ形状電極７９が同一の側に配置された半導体発光素子である。半導体素子１０９と半導体素子１０７との違いは、半導体素子１０９は半導体素子１０７のｐ型第八半導体層１７７の代替としてｐ型第八半導体層７７を備え、半導体素子１０７のｎ型第五半導体層７３の代替としてｎ型第五半導体層１７３を備えたことである。なお、図９において図１及び図７で用いた符号と同じ符号は同じ層又は薄膜であり同じ機能及び構成を有する。
ｐ型第八半導体層７７はＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ化合物の半導体層である。ｐ型第八半導体層７７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ＡｌｍＧａ１−ｍＮ化合物が例示される。ｐ型第八半導体層７７はキャリア密度を高めるためｐ型不純物、例えばＭｇが添加される。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。ｐ型第八半導体層７７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。
なお、半導体素子１０９が半導体レーザである場合、ｐ型第八半導体層７７は活性層７５に正孔を供給するクラッド層として機能させるため、膜厚が５００（ｎｍ）の前記組成式においてｍ＝０．０８、すなわちＡｌ０．０８Ｇａ０．９２Ｎ化合物であり、不純物のＭｇ濃度は３×１０１９（ｃｍ−３）であることが望ましい。
ｎ型第五半導体層１７３は図５の半導体素子１０５で説明した第三半導体層５３においてバンドギャップ変化薄膜４８を積層したものであり、第三半導体層５３と同じ構成であり、同じ効果を有する。ｎ型第五半導体層１７３のバンドギャップ変化薄膜４８はｎ型とするためにｎ型不純物としてＳｉが添加される。
なお、半導体素子１０９が半導体レーザである場合、ｎ型第五半導体層１７３は活性層７５に電子を供給するクラッド層として機能させるため、膜厚が１０００（ｎｍ）となるようにバンドギャップ変化薄膜４８を積層する。また、不純物のＭｇ濃度は３×１０１８（ｃｍ−３）であることが望ましい。
半導体素子１０９は図７で説明した半導体素子１０７と同様にして作製することができる。
半導体素子１０９のバンドダイヤグラムの概念図を図１２に示す。図１２において図２及び図８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１２の半導体素子１０９のバンドダイヤグラムと図８の半導体素子１０７のバンドダイヤグラムとの違いは、図１２の半導体素子１０９のバンドダイヤグラムには図８の半導体素子１０７のバンドダイヤグラムのｐ型第八半導体層１７７の領域１７７ａの代替としてｐ型第八半導体層７７の領域７７ａが存在し、半導体素子１０７のバンドダイヤグラムのｎ型第五半導体層７３の領域７３ａの代替としてｎ型第五半導体層１７３の領域１７３ａが存在することである。
電極７１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７２を活性層７５の方向へ円滑に移動することができる。ｎ型第五半導体層１７３において、ｎ型下地層７２から移動してきた電子は図３の半導体素子１０３で説明したように、円滑に活性層７５の方向へ移動することができる。ｎ側第六半導体層７４へ移動した電子はｎ側第六半導体層７４のバンドギャップより狭い活性層７５の各井戸層に集中する。
一方、ストライプ形状電極７９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ｐ型コンタクト層７８及びｐ型第八半導体層７７を活性層７５の方向へ円滑に移動することができる。ｐ側第七半導体層７６のバンドギャップはｐ型第八半導体層７７のバンドギャップより狭いため、正孔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ｐ側第七半導体層７６へ移動できる。正孔はｐ側第七半導体層７６より狭いバンドギャップの活性層７５の各井戸層に集中する。
活性層７５は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。
ｎ型第五半導体層１７３を備えたことにより、ｎ型第五半導体層１７３の膜厚が厚い場合でも電子は円滑にｎ型下地層７２からｎ側第六半導体層７４へ移動することができる。
従って、本発明は不純物濃度を高めることなく、つまり信頼性の劣化をもたらすことなく、不純物の活性化を促し、キャリア密度を高めた電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。
（実施の形態７）
本発明に係る他の実施の形態である半導体素子１１１の断面の概念図を図１１に示す。半導体素子１１１は電極７１、ｎ型下地層７２、ｎ型第五半導体層１７３、ｎ側第六半導体層７４、活性層７５、ｐ側第七半導体層７６、ｐ型第八半導体層１７７、ｐ型コンタクト層７８及びストライプ形状電極７９を備える。半導体素子１１１は半導体素子１０７と同様に基板１２に対し、電極７１とストライプ形状電極７９が同一の側に配置された半導体発光素子である。半導体素子１１１と半導体素子１０７との違いは、半導体素子１１１は半導体素子１０７のｎ型第五半導体層７３の代替としてｎ型第五半導体層１７３を備えたことである。なお、図１１において図１、図３、図７及び図９で用いた符号と同じ符号は同じ層又は薄膜であり同じ機能及び構成を有する。
半導体素子１１１は図７で説明した半導体素子１０７と同様にして作製することができる。
半導体素子１１１のバンドダイヤグラムの概念図を図１２に示す。図１２において図２、図４、図８及び図１２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１２の半導体素子１１１のバンドダイヤグラムと図８の半導体素子１０７のバンドダイヤグラムとの違いは、図１２の半導体素子１０９のバンドダイヤグラムには図８の半導体素子１０７のバンドダイヤグラムのｎ型第五半導体層７３の領域７３ａの代替としてｎ型第五半導体層１７３の領域１７３ａが存在することである。
電極７１から注入された電子は図１２の半導体素子１０９のバンドダイヤグラムで説明したように活性層７５の各井戸層に集中する。
一方、ストライプ形状電極７９から注入された正孔は図８の半導体素子１０７のバンドダイヤグラムで説明したように活性層７５の各井戸層に集中する。
活性層７５は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。
ｎ型第五半導体層１７３及びｐ型第八半導体層１７７を備えたことにより、ｎ型第五半導体層１７３の膜厚が厚い場合でも電子は円滑にｎ型下地層７２からｎ側第六半導体層７４へ移動することができ、ｐ型第八半導体層１７７の膜厚が厚い場合でも正孔は円滑にｐ型コンタクト層７８からｐ側第七半導体層７６へ移動することができる。
従って、本発明は不純物濃度を高めることなく、つまり信頼性の劣化をもたらすことなく、不純物の活性化を促し、キャリア密度を高めた電気抵抗の低い半導体素子を提供することができる。
本発明の半導体素子の構成は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。
本発明に係る一の実施の形態である半導体素子１０１の断面の概念図である。 本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。 本発明に係る他の実施の形態である半導体素子１０３の断面の概念図である。 本発明に係る他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。 本発明に係る他の実施の形態である半導体素子１０５の断面の概念図である。 本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。 本発明に係る他の実施の形態である半導体素子１０７の断面の概念図である。 本発明に係る他の実施の形態である半導体素子１０７のバンドダイヤグラムの概念図である。 本発明に係る他の実施の形態である半導体素子１０９の断面の概念図である。 本発明に係る他の実施の形態である半導体素子１０９のバンドダイヤグラムの概念図である。 本発明に係る他の実施の形態である半導体素子１１１の断面の概念図である。 本発明に係る他の実施の形態である半導体素子１１１のバンドダイヤグラムの概念図である。 従来の一の実施の形態である半導体素子９００の断面の概念図である。 従来の一の実施の形態である半導体素子９００のバンドダイヤグラムの概念図である。
符号の説明
１０１、１０３、１０５、１０７、１０９、１１１、９００ 半導体素子
１２ 基板
１２ａ バンドダイヤグラムにおける基板１２の領域
１３ 第一半導体層
１３ａ バンドダイヤグラムにおける第一半導体層１３の領域
２１ 価電子帯のトップ準位
２２ 伝導帯の底部準位
２８−１、２８−２、２８−３、２８−４、２８−５、２８−６ バンドギャップ変化薄膜
２８ａ−１、２８ａ−２、２８ａ−３、２８ａ−４、２８ａ−５、２８ａ−６ バンドダイヤグラムにおけるバンドギャップ変化薄膜２８−１、２８−２、２８−３、２８−４、２８−５、２８−６の領域
３３ 第二半導体層
３３ａ バンドダイヤグラムにおける第二半導体層３３の領域
４８−１、４８−２、４８−３、４８−４、４８−５、４８−６ バンドギャップ変化薄膜
４８ａ−１、４８ａ−２、４８ａ−３、４８ａ−４、４８ａ−５、４８ａ−６ バンドダイヤグラムにおけるバンドギャップ変化薄膜４８−１、４８−２、４８−３、４８−４、４８−５、４８−６の領域
５３ 第三半導体層
５３ａ バンドダイヤグラムにおける第三半導体層５３の領域
７１ 電極
７１ａ バンドダイヤグラムにおける電極７１の領域
７２ ｎ型下地層
７２ａ バンドダイヤグラムにおけるｎ型下地層７２の領域
７３、１７３ ｎ型第五半導体層
７３ａ、１７３ａ バンドダイヤグラムにおけるｎ型第五半導体層７３、１７３の領域
７４ ｎ側第六半導体層
７４ａ バンドダイヤグラムにおけるｎ側第六半導体層７４の領域
７５ 活性層
７５ａ バンドダイヤグラムにおける活性層７５の領域
７５ｂ バンドダイヤグラムにおける活性層７５の井戸層の領域
７５ｃ バンドダイヤグラムにおける活性層７５の障壁層の領域
７５ｄ バンドダイヤグラムにおける活性層７５のｐ型電子バリア層の領域
７６ ｐ側第七半導体層
７６ａ バンドダイヤグラムにおけるｐ側第七半導体層７６の領域
７７、１７７ ｐ型第八半導体層
７７ａ、１７７ａ バンドダイヤグラムにおけるｐ型第八半導体層７７、１７７の領域
７８ ｐ型コンタクト層
７８ａ バンドダイヤグラムにおけるｐ型コンタクト層７８の領域
７９ ストライプ形状電極
７９ａ バンドダイヤグラムにおけるストライプ形状電極７９の領域
１１３ 超格子層
１１３ａ バンドダイヤグラムにおける超格子層１１３の領域
１１８−１、１１８−２、１１８−３、１１８−４、１１８−５、１１８−６、１１９−１、１１９−２、１１９−３、１１９−４、１１９−５、１１９−６ 半導体薄膜
１１８ａ−１、１１８ａ−２、１１８ａ−３、１１８ａ−４、１１８ａ−５、１１８ａ−６ バンドダイヤグラムにおける半導体薄膜１１８−１、１１８−２、１１８−３、１１８−４、１１８−５、１１８−６の領域
１１９ａ−１、１１９ａ−２、１１９ａ−３、１１９ａ−４、１１９ａ−５、１１９ａ−６ バンドダイヤグラムにおける半導体薄膜１１９−１、１１９−２、１１９−３、１１９−４、１１９−５、１１９−６の領域
Ｍ 陰電極部
Ｐ 陽電極部

Claims (8)

  1. 積層方向にバンドギャップが連続的に単調変化するバンドギャップ変化薄膜を複数連続して積層する半導体層を備える半導体素子であって、
    前記半導体層は、隣接する少なくとも二つの前記バンドギャップ変化薄膜のバンドギャップの単調変化する方向が同一であることを特徴とする半導体素子。
  2. 前記半導体層は、バンドギャップの単調変化する方向が同一である少なくとも二つの隣接する前記バンドギャップ変化薄膜の間にヘテロ界面を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子。
  3. 積層方向にバンドギャップが連続的に単調変化するバンドギャップ変化薄膜を複数連続して積層する半導体層を備える半導体素子であって、
    前記半導体層は、隣接する少なくとも二つの前記バンドギャップ変化薄膜のバンドギャップの単調変化する方向が互いに逆であることを特徴とする半導体素子。
  4. 前記半導体層は、バンドギャップの単調変化する方向が互いに逆である少なくとも二つの隣接する前記バンドギャップ変化薄膜の間にヘテロ界面が非形成であることを特徴とする請求項３に記載の半導体素子。
  5. 前記バンドギャップ変化薄膜は組成式ＡｌｘＧａｙＩｎ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ+ｙ≦１）と表されるＩＩＩ族窒化物系化合物からなる窒化物系半導体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。
  6. 前記バンドギャップ変化薄膜はｎ型不純物としてＳｉを含有することを特徴とする請求項５に記載の半導体素子。
  7. 前記バンドギャップ変化薄膜はｐ型不純物としてＭｇを含有することを特徴とする請求項５に記載の半導体素子。
  8. 外部から電子を供給する陰電極と、
    外部から正孔を供給する陽電極と、
    前記陰電極からの前記電子と前記陽電極からの前記正孔との再結合により光を発生する活性層と、
    をさらに備え、
    前記陽電極から前記活性層への正孔の移動経路において、前記バンドギャップ変化薄膜の積層方向と前記活性層の積層方向とが平行となるように前記活性層と前記陽電極との間に前記半導体層を配置又は／及び前記陰電極から前記活性層への電子の移動経路において、前記バンドギャップ変化薄膜の積層方向と前記活性層の積層方向とが平行となるように前記活性層と前記陰電極との間に前記半導体層を配置す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。


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