JP2007066981A - 半導体装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 不純物の活性層への拡散を防止可能な半導体装置を提供する。
【解決手段】 レーザダイオードは、ｎ型ＧａＮ基板１上に形成されるｎ型ＧａＮバッファ層２と、その上に形成されるｎ型クラッド層３と、その上に形成されるｎ型ガイド層４と、その上に形成される活性層５と、その上に形成されるｐ型第１ガイド層６と、その上に形成されるオーバーフロー防止層７と、その上に形成される不純物拡散防止層８と、その上に形成されるｐ型ＧａＮ第２ガイド層９と、その上に形成されるｐ型クラッド層１０とを備えている。活性層５に近接してＩｎyＧａ1-yＮからなる不純物拡散防止層８を設けるため、ｐ型クラッド層１０やｐ型第２ガイド層９などの内部に存在するｐ型不純物を不純物拡散防止層８に蓄積でき、ｐ型不純物が活性層５に拡散しなくなる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む半導体装置に関する。
窒化ガリウム（ＧａＮ）系半導体はワイドバンドギャップを有する半導体であり、その特徴を活かし、高輝度の紫外〜青色・緑色発光ダイオードや青紫色レーザダイオードなどが研究・開発されている。また、高周波かつ高出力のＧａＮ系トランジスタなどが作製されている。
ＧａＮ系は電子や正孔の有効質量がＧａＡｓ系よりも大きいため、透明キャリア密度が大きくなる。よって、必然的にＧａＮ系レーザにおけるしきい値電流密度はＧａＡｓ系レーザにおけるそれよりも大きくなる。ＧａＮ系レーザにおけるしきい値電流密度の代表的な値としては１〜３ｋＡｃｍ-2程度である。
このように、ＧａＮ系レーザは、しきい値電流密度が大きいため、キャリア（特に電子）のオーバーフローを抑制することが極めて重要である。ＧａＮ系レーザでは、電子のオーバーフローを抑制するために、ｐ型不純物がドープされたＧａＡｌＮ層が活性層近傍に設けられることが多い（非特許文献１、非特許文献２参照）。
しかしながら、実際の素子構造を結晶成長する上で、ガイド層の材料として用いられるＩｎＧａＮとＧａＮ・ＧａＡｌＮとでは成長温度が異なる。ＩｎＧａＮが成長温度７００〜８００℃前後であるのに対して、ＧａＮ・ＧａＡｌＮは成長温度が１０００〜１１００℃である。すなわち、ＩｎＧａＮを成長した後に、一旦成長を中断し昇温過程を経て、ＧａＮ・ＧａＡｌＮを成長することになる。この昇温過程において、熱ダメージによる欠陥が結晶成長層に導入されてしまうことが分かった。このような欠陥が導入された層が活性層近傍にあると、素子の寿命が低下するおそれがある。したがって、欠陥が導入された層を活性層から遠ざけることが、高信頼性素子を実現する上で重要な事項である。
また、ｐ型不純物がドープされたＧａＡｌＮ層が活性層のごく近傍に設けられている場合、ｐ型不純物による自由キャリア損失が発生し、逆にしきい値電流密度が上昇してしまう。また、ｐ型不純物が活性層に拡散するおそれがあり、この場合、損失が増大して、しきい値電流密度も増大してしまう。たとえレーザダイオードの通電初期段階でｐ型不純物の活性層への拡散が抑えられていたとしても、定光出力下の寿命試験を行ううちに、活性層への不純物拡散が起こり、その結果しきい値電流密度の増大を招き、最終的にはレーザダイオードとして使用不能となってしまうおそれがある。このように、ｐ型不純物の活性層への拡散はデバイスの信頼性にも関わる重大な問題である。
中村修二他、「InGaN-Based Multi-Quantum-Well-Structure Laser Diodes」、Japanese Journal of Applied Physics、１９９６年1月１５日、第３５巻、第１Ｂ号、ｐｐ．Ｌ７４−Ｌ７６． M. Hansen他、「Higher efficiency InGaN laser diodes with an improved quantum well capping configuration」、Applied Physics Letters、２００２年１１月２５日、第８１巻、第２２号、ｐｐ．４２７５−４２７７．
本発明は、不純物の活性層への拡散を防止可能な半導体装置を提供するものである。
本発明の一態様によれば、活性層と、第１導電型の第１半導体層と、前記活性層と前記第１半導体層との間に配置され第１導電型の不純物がドープされた電子または正孔のオーバーフローを防止するオーバーフロー防止層と、前記活性層と前記オーバーフロー防止層との間、および前記オーバーフロー防止層と前記第１半導体層との間の少なくとも一方に配置される第１導電型の第２半導体層と、前記第１半導体層と前記活性層との間に配置され、前記オーバーフロー防止層、前記第１半導体層、および第２半導体層よりも小さいバンドギャップを有し第１導電型の不純物の拡散を防止する不純物拡散防止層と、を備え、前記活性層、オーバーフロー防止層、第１半導体層、第２半導体層、および不純物拡散防止層はいずれもＧａＮ系化合物半導体からなることを特徴とする半導体装置が提供される。
また、本発明の一態様によれば、活性層と、第１導電型の第１半導体層と、前記活性層と前記第１半導体層との間に配置され第１導電型の不純物がドープされた電子または正孔のオーバーフローを防止するオーバーフロー防止層と、前記活性層と前記オーバーフロー防止層との間、および前記オーバーフロー防止層と前記第１半導体層との間のいずれか一方に配置される第１導電型の第２半導体層と、前記オーバーフロー防止層と前記第２半導体層との間に配置され、前記オーバーフロー防止層、前記第１半導体層、および第２半導体層よりも小さいバンドギャップを有し第１導電型の不純物の拡散を防止する不純物拡散防止層と、を備え、前記活性層、オーバーフロー防止層、第１半導体層、第２半導体層、および不純物拡散防止層はいずれもＧａＮ系化合物半導体からなることを特徴とする半導体装置が提供される。
また、本発明の一態様によれば、活性層と、第１導電型の第１半導体層と、前記活性層と前記第１半導体層との間に配置され第１導電型の不純物がドープされた電子または正孔のオーバーフローを防止するオーバーフロー防止層と、前記オーバーフロー防止層と前記第１半導体層との間に配置される第１導電型の第２半導体層と、前記オーバーフロー防止層と前記活性層との間に配置される第１導電型の第３半導体層と、前記オーバーフロー防止層と前記第２半導体層との間、および前記オーバーフロー防止層と前記第３半導体層との間の少なくとも一方に配置され、前記オーバーフロー防止層、前記第１半導体層、前記第２半導体層、および第３半導体層よりも小さいバンドギャップを有し第１導電型の不純物の拡散を防止する不純物拡散防止層と、を備え、前記活性層、オーバーフロー防止層、第１半導体層、第２半導体層、第３半導体層、および不純物拡散防止層はいずれもＧａＮ系化合物半導体からなることを特徴とする半導体装置が提供される。
本発明によれば、不純物拡散防止層を設けることにより、第１導電型の不純物が活性層に拡散しなくなり、デバイスの特性が向上する。
以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の断面図であり、半導体発光素子、より具体的にはレーザダイオードの断面構造を示している。図１のレーザダイオードは、ｎ型ＧａＮ基板１上に形成されるｎ型ＧａＮバッファ層２と、その上に形成されるｎ型クラッド層３と、その上に形成されるｎ型ガイド層４と、その上に形成される活性層５と、その上に形成されるｐ型第１ガイド層６と、その上に形成されるＧａxＡｌ1-xＮ（０＜ｘ≦１）層（オーバーフロー防止層）７と、その上に形成されるＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）層（不純物拡散防止層）８と、その上に形成されるｐ型ＧａＮ第２ガイド層９と、その上に形成されるｐ型クラッド層１０と、その上に形成されるｐ型コンタクト層１１とを備えている。なお、オーバーフロー防止層はより一般的にＩｎ１−ｘ−ｙＧａｘＡｌｙＮ（０≦ｘ＜１，０＜ｙ≦１）に拡張することもできる。
不純物拡散防止層８のＩｎの組成比は、オーバーフロー防止層７とガイド層６，９のＩｎの組成比よりも高く設定されている。後述する不純物拡散目安として、不純物拡散防止層８のＩｎの組成比は２〜１０％、好ましくは３〜８％、オーバーフロー防止層７とガイド層６，９のＩｎの組成比は２％以下である。一般に、Ｉｎの組成比が大きいほど、屈折率が大きくなりバンドギャップが小さくなる。不純物拡散防止層８のＩｎ組成が小さいと不純物拡散防止の効果を得ることが難しくなる。また、発効効率の観点から、不純物拡散防止層８のＩｎ組成比は活性層の量子井戸層のＩｎ組成比より小さくすることが望ましい。
ｐ型クラッド層１０は凸部を有し、凸部の最上面にはｐ型ＧａＮコンタクト層１１が形成され、凸部の側壁部と凸部以外のｐ型クラッド層１０の表面部分には絶縁層１２が形成されている。ｐ型ＧａＮコンタクト層１１の上にはｐ型電極１３が形成され、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面側にはｎ型電極１４が形成されている。
図１のレーザダイオードは、オーバーフロー防止層７とｐ型ＧａＮ第２ガイド層９の間に不純物拡散防止層８を設けている。この不純物拡散防止層８は、ｐ型ＧａＮガイド層９やｐ型クラッド層１０等の内部に存在するｐ型不純物を吸収する作用を行い、これにより、ｐ型不純物が活性層に拡散されなくなる。なお、不純物拡散防止層８をｐ型クラッド層１０に近接して配置しても十分に不純物拡散防止の効果を得ることができるが、不純物拡散防止層８を活性層５に近づけた方が不純物拡散防止の効果をより向上させることができる。その理由は、活性層５とｐ型クラッド層１０との間に存在する一つ又は複数のｐ型半導体層のうちなるべく多くのｐ型半導体層に含まれるｐ型不純物の拡散を防止することができるためである。しかしながら、不純物拡散防止層８を活性層５に接して設けた場合は、活性層５の量子井戸層の方が不純物拡散防止層８よりもバンドギャップが小さいので、不純物拡散防止層８でｐ型不純物が十分に吸収されずに活性層５中へｐ型不純物が拡散してしまう場合があり好ましくない。
本発明者は、ＧａＮ、ＧａＡｌＮおよびＩｎＧａＮからなる積層膜に対して二次イオン質量分析法（SIMS：Secondary Ion-microprobe Mass Spectrometry）を用いてｐ型不純物（例えばＭｇ）のドーピングプロファイルを調べた。その結果、ドーピング濃度が一定になるように設計したにもかかわらず、SIMSのマトリクス効果を考慮に入れても、ＩｎＧａＮにおけるＭｇ濃度が最も高いことがわかった。図２はこの結果を示す図であり、図２の特性線図ａは横軸を上記積層膜の深さ位置、縦軸をＭｇ濃度としたものである。また、特性線図ｂは横軸を上記積層膜の深さ位置、縦軸をバンドギャップエネルギーとしたものである。
図２の特性線図ａからわかるように、不純物拡散防止層８のＭｇ濃度が最も高くなっている。また、特性線図ｂからわかるように、不純物拡散防止層８のバンドギャップエネルギーが最も小さい。
ＩｎＧａＮのＭｇ濃度が高い原因として、ＩｎＧａＮはＧａＮやＧａＡｌＮに対して格子定数が大きく（より厳密にはｃ軸方向の格子定数が大きく）、Ｍｇが膜中に取り込まれやすいためと考えられる。
図２からわかるように、上記積層膜中の各層のＭｇ濃度とバンドギャップエネルギーは互いに相関関係にある。したがって、図１のレーザダイオードにおいても、ＩｎyＧａ1-yＮからなる不純物拡散防止層８の材料を、その両面に配置されるオーバーフロー防止層７とｐ型ＧａＮ第２ガイド層９よりもバンドギャップエネルギーの小さい材料にすれば、ｐ型ＧａＮ第２ガイド層９やｐ型クラッド層１０などに含まれるｐ型不純物を不純物拡散防止層８の内部に蓄積することができる。言い換えると、不純物拡散防止層８のｃ軸方向の格子定数を、その両面に配置されるオーバーフロー防止層７とｐ型ＧａＮ第２ガイド層９のｃ軸方向の格子定数よりも大きくすることにより、ｐ型不純物を不純物拡散防止層８の内部に蓄積することができる。
そこで、本実施形態では、ｐ型不純物がドープされたオーバーフロー防止層７の上に、バンドギャップのより小さなＩｎyＧａ1-yＮ層からなる不純物拡散防止層８を配置して、この層の内部にｐ型不純物を蓄積し、ｐ型不純物が活性層に拡散されないようにする。
図３および図４は図１のレーザダイオードの製造工程を示す工程図である。まず、ｎ型ＧａＮ基板１上に、ｎ型不純物がドープされたｎ型ＧａＮバッファ層２を結晶成長する（図３（ａ））。結晶成長には、例えば有機金属気相成長法（MOCVD：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）が用いられる。この他、分子線エピタキシー法（MBE：Molecular Beam Epitaxy）により結晶成長させてもよい。ｎ型不純物には、ＳｉやＧｅなどを用いることができるが、ここではＳｉを用いるものとする。
次に、ｎ型ＧａＮバッファ層２の上に、アンドープＧａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層とｎ型不純物が１×１０18cm-3程度ドープされたＧａＮ層とからなる超格子のｎ型クラッド層３を成長させる（図３（ｂ））。ｎ型クラッド層３の材料には特に制限はなく、例えばＧａ0.95Ａｌ0.05Ｎの厚膜を用いてもよい。あるいは、Ｇａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層とＧａＮ層の両方にｎ型不純物をドープしてｎ型クラッド層３を形成してもよい。
次に、ｎ型クラッド層３の上に、ｎ型不純物が１×１０18cm-3程度ドープされた膜厚０．１μｍ程度のＧａＮからなるｎ型ガイド層４を成長させる。あるいは、ｎ型ガイド層４として、膜厚０．１μｍ程度のＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎを用いてもよい。ｎ型ＧａＮバッファ層２、ｎ型クラッド層３およびｎ型ガイド層４を成長させる際の成長温度はいずれも１０００〜１１００℃である。
次に、ｎ型ガイド層４の上に、膜厚３．５nm程度のアンドープのＩｎ0.1Ｇａ0.9Ｎ層からなる量子井戸層と、この量子井戸を挟んでその両面に膜厚７nm程度のアンドープのＩｎ0.01Ｇａ0.99Ｎ層からなるバリア層とを交互に積層した多重量子井戸（MQW：Multiple Quantum Well）構造の活性層５を形成する（図３（ｃ））。この場合の成長温度は７００〜８００℃である。
次に、活性層５の上に、Ｉｎ0.005Ｇａ0.995Ｎからなるｐ型第１ガイド層６を成長させる。膜厚は９０nm程度あればよい。ｐ型第１ガイド層６はアンドープ、もしくはｐ型不純物であるＭｇを１×１０17cm-3程度以上５×１０１８cm-3程度以下ドープしても良い。活性層の下に配置されるｎ型ガイド層５がＧａＮまたはＩｎx1Ｇａ1-x1Ｎ（０＜ｘ１＜１）で、かつ活性層が、Ｉｎx2Ｇａ1-x2Ｎ（０＜ｘ２≦１）を含む量子井戸と、Ｉｎx3Ｇａ1-x3Ｎ（０≦ｘ３＜１、ｘ２＞ｘ３）を含むバリア層と、を有する単一または多重量子井戸構造の場合、ｐ型第１ガイド層６は、Ｉｎx4Ｇａ1-x4Ｎ（０≦ｘ４＜１、ｘ３＞ｘ４）である。
次に、ｐ型第１ガイド層６の上に、Ｍｇが４×１０18cm-3程度以上５×１０１９cm-3程度以下ドープされた膜厚１０nm程度のＧａ0.8Ａｌ0.2Ｎ層を成長させる。このＧａ0.8Ａｌ0.2Ｎ層は、電子のオーバーフローを防止するために設けられるため、オーバーフロー防止層７とも呼ばれる。ｐ型第１ガイド層６とオーバーフロー防止層７を成長させる際の成長温度は１０００〜１１００℃である。
次に、オーバーフロー防止層７の上に、ＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）からなる不純物拡散防止層８を成長させる（図３（ｄ））。Ｉｎの組成ｙは例えば、ｙ＝０．０２、膜厚は例えば３nmである。この膜厚は例えば１〜１５ｎｍ、好ましくは１〜１０ｎｍとする。膜厚が薄いと不純物拡散防止の効果を得ることが難しくなり、膜厚が厚いと光強度分布が変化していまい好ましくない。不純物拡散防止層８を成長させる際の成長温度は７００〜８００℃がよいが、Ｉｎの組成が低い場合（例えば３％以下の場合）、１０００〜１１００℃でもよい。不純物拡散防止層８は、Ｍｇが１×１０17cm-3程度以上１×１０１９cm-3程度以下ドープされていても良い。
次に、ＩｎyＧａ1-yＮ層の上に、Ｍｇが２×１０18cm-3程度以上５×１０１９cm-3程度以下ドープされたｐ型ＧａＮ第２ガイド層９を成長させる。この層の膜厚は例えば０．０５μｍである。次に、ｐ型ＧａＮ第２ガイド層９の上に、アンドープＧａ0.9Ａｌ0.1Ｎ層とＭｇが１×１０19cm-3程度以上５×１０１９cm-3程度以下ドープされたＧａＮとからなる超格子構造のｐ型クラッド層１０を成長させる。ｐ型クラッド層１０の材料は特に限定されず、例えばＧａ0.95Ａｌ0.05Ｎからなるｐ型不純物がドープされた厚膜（膜厚０．６μｍ程度）でもよい。あるいは、Ｇａ0.9Ａｌ0.1ＮとＧａＮの両方にｐ型不純物をドープしてもよい。次に、ｐ型クラッド層１０の上に、ｐ型不純物がドープされた膜厚０．１μｍのＧａＮ層からなるｐ型ＧａＮコンタクト層１１を形成する（図４（ａ））。ＧａＮ層の代わりに、ｐ型不純物がドープされたＩｎＧａＡｌＮ層でもよい。ｐ型ＧａＮ第２ガイド層９、ｐ型クラッド層１０およびｐ型コンタクト層１１を成長させる際の成長温度は１０００〜１１００℃である。
図３および図４（ａ）までの工程に従って結晶成長を行ったウエハに対してデバイスプロセスを行うことにより、最終的にレーザダイオードが作製される。リソグラフィおよびドライエッチングにより、ｐ型コンタクト層１１とｐ型クラッド層１０の一部を除去して、凸部を有するリッジ構造を作製する（図４（ｂ））。また、凸部の側壁部分と凸部以外のｐ型クラッド層１０の表面部分には絶縁層１２を形成する（図４（ｃ））。
次に、Ｍｇが３×１０19cm-3程度以上１×１０２２cm-3程度以下ドープされたｐ型ＧａＮコンタクト層１１と絶縁層１２の上にｐ型電極１３を形成するとともに、ｎ−ＧａＮ基板の裏面側にｎ型電極１４を形成する。
レーザダイオードの端面は劈開により形成され、光取り出し面とは反対側の面には高反射率のコーティングが施される。
ｐ型クラッド層１０とｐ型ＧａＮコンタクト層１１とからなる凸部積層構造は、紙面に垂直な方向に延伸しており、共振器となる。
なお、凸部積層構造は、図１に示すような断面が垂直側壁を有する矩形に限らず、メサ型の斜面を有する台形状の凸部でもよい。ｐ型コンタクト層１１の幅（リッジ幅）は約２μｍであり、共振器長としては例えば600μｍにすればよい。
凸部の側壁部と凸部以外のｐ型クラッド層１０の表面部分には、凸部を挟み込むように絶縁層１２からなる電流ブロック層が形成されている。この電流ブロック層によりレーザダイオードの横モードが制御される。電流ブロック層の膜厚は設計により任意に選択できるが、0.3μｍ〜0.8μｍ程度の値、例えば0.5μｍ程度に設定すればよい。
電流ブロック層の材料としては、例えばＡｌＮ膜、Ｇａ0.8Ａｌ0.2Ｎ膜等の高比抵抗半導体膜、プロトンを照射した半導体膜、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）、ＳｉＯ2膜とＺｒＯ2膜からなる多層膜などが用いられる。すなわち、電流ブロック層の材料としては、活性層５に用いられる窒化物系III−Ｖ族化合物半導体よりも屈折率が低いものであれば種々の材料が採用可能である。
また、本実施形態に係るレーザダイオードは、リッジ導波路型によるレーザ構造でなくてもよく、例えば埋め込み型レーザ構造の場合は、絶縁膜の代わりに、ｎ型ＧａＮやｎ型ＧａＡｌＮなどのｎ型半導体層を用いてｐｎ接合分離により電流ブロック層として機能させてもよい。
ｐ型ＧａＮコンタクト層１１の上には、例えばパラジウム−白金−金（Ｐｄ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜からなるｐ型電極１３が形成される。例えば、Ｐｄ膜は膜厚０．０５μｍ、Ｐｔ膜は膜厚０．０５μｍ、Ａｕ膜は膜厚１．０μｍである。
一方、ｎ型ＧａＮ基板１の裏面側には、例えばチタン−白金−金（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）の複合膜からなるｎ型電極１４が形成される。ｎ型電極１４の材料としては、例えば膜厚０．０５μｍのＴｉ膜、膜厚０．０５μｍのＰｔ膜および膜厚１．０μｍのＡｕ膜が用いられる。
図３および図４の製法により作製されるレーザダイオードは、電流−光出力特性でのしきい値電流が平均で35mAである。オーバーフロー防止層７の上に不純物拡散防止層８を設けないレーザダイオードの場合も、しきい値電流は平均で約３５mA程度であった。これにより、不純物拡散防止層８の有無によりレーザダイオードの初期特性に差がないことがわかる。
次に、本発明者は、光出力を一定にした状態での寿命を測定する通電試験を行った。この通電試験では、光出力５０mW、動作温度７５℃で、レーザダイオードを連続発振させ、動作電流の上昇率を調べた。動作電流が初期値の２０％上昇した時間をレーザダイオードの寿命として定義する。この定義に従って、図１のレーザダイオードの寿命を測定したところ、上昇率の変化から推定して１０００時間以上であった。一方、不純物拡散防止層８を設けないレーザダイオードの寿命は２００〜３００時間であった。
このような寿命の差が生じた理由について説明する。不純物拡散防止層８がない場合、通電試験の最中に、ｐ型クラッド層１０やｐ型第２ガイド層９内のｐ型不純物（例えばＭｇ）が徐々に不純物の少ない活性層５に向かって拡散を始める。活性層５にｐ型不純物が拡散すると、自由キャリア損失が生じるため、レーザダイオードにおけるしきい値電流が上昇する。また、しきい値電流以上での電流変化量に対する光出力変化量の比を示すスロープ効率が下がる。したがって、光出力を一定にしようとする場合に動作電流が上昇することになる。
一方、本実施形態のように不純物拡散防止層８を設けた場合、不純物拡散防止層８にｐ型不純物が蓄積されて、活性層５へのｐ型不純物の拡散を抑制できる。このため、寿命が長くなり、信頼性の高いレーザダイオードを提供できる。
図１のレーザダイオードは、オーバーフロー防止層７とｐ型ＧａＮ第２ガイド層９の間に不純物拡散防止層８を設けているが、図５に示すように、オーバーフロー防止層７とｐ型第１ガイド層６の間に不純物拡散防止層８を設けてもよい。図５の場合、オーバーフロー防止層７内のｐ型不純物も確実に不純物拡散防止層８に蓄積できる。
このように、本実施形態では、活性層５に近接してＩｎyＧａ1-yＮからなる不純物拡散防止層８を設けるため、ｐ型クラッド層１０やｐ型第２ガイド層９などの内部に存在するｐ型不純物を不純物拡散防止層８に蓄積でき、ｐ型不純物が活性層５に拡散しなくなる。このため、レーザダイオードの寿命を延ばすことができ、信頼性向上が図れる。
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、レーザダイオードの構造が第１の実施形態とは異なるものである。
図６は第２の実施形態に係るレーザダイオードの断面図である。図６のレーザダイオードは、図１のｐ型第１ガイド層６とｐ型ＧａＮ第２ガイド層９を一層にまとめたｐ型ＧａＮガイド層２１を有する。このガイド層は、活性層５とオーバーフロー防止層７の間に配置されている。すなわち、図６のレーザダイオードは、ｎ型ＧａＮ基板１上に形成されるｎ型ＧａＮバッファ層２と、その上に形成されるｎ型クラッド層３と、その上に形成されるｎ型ガイド層４と、その上に形成される活性層５と、その上に形成されるｐ型ＧａＮガイド層２１と、その上に形成されるＧａ0.8Ａｌ0.2Ｎ層（オーバーフロー防止層７）と、その上に形成されるＩｎyＧａ1-yＮ（０＜ｙ≦１）層（不純物拡散防止層８）と、その上に形成されるｐ型クラッド層１０とを備えている。
図６のレーザダイオードでは、ｐ型クラッド層１０内のｐ型不純物を不純物拡散防止層８に蓄積できるため、活性層５へのｐ型不純物の拡散を防止できる。
図６では、不純物拡散防止層８をオーバーフロー防止層７とｐ型クラッド層１０の間に配置しているが、図７に示すように不純物拡散防止層８をｐ型ＧａＮガイド層２１とオーバーフロー防止層７の間に配置してもよい。
図７のレーザダイオードでは、ｐ型クラッド層１０だけでなく、オーバーフロー防止層７内のｐ型不純物も不純物拡散防止層８に蓄積できる。
図６および図７のレーザダイオードにおいて、ｐ型ＧａＮガイド層２１とオーバーフロー防止層７の積層順序を入れ替えてもよい。この場合、図８または図９のようなレーザダイオードが得られる。図８のレーザダイオードでは、ｐ型クラッド層１０とｐ型ＧａＮガイド層２１の間に不純物拡散防止層８が配置されており、図９のダイオードでは、ｐ型ＧａＮガイド層２１とオーバーフロー防止層７の間に不純物拡散防止層８が配置されている。
このように、図６〜図９のいずれの構造の場合でも、不純物拡散防止層８にｐ型不純物を蓄積できるため、活性層へのｐ型不純物の拡散を防止でき、レーザダイオードの寿命を延ばすことができる。
上述した第１および第２の実施形態では、ｐ型不純物にはＭｇを用いたが、Ｚｎなどを用いてもよい。
また、第１および第２の実施形態では、レーザダイオードに不純物拡散防止層８を設ける例を説明したが、本発明はレーザダイオードだけでなく、発光ダイオードや光検出器などの光デバイスや、トランジスタ（例えば、HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)）などの電子デバイスにも適用可能である。
また、上記各実施形態では、不純物拡散防止層８にｐ型不純物を蓄積する例を説明したが、ｎ型不純物がドープされた正孔のオーバーフローを防止するオーバーフロー防止層とｎ型ガイド層が設けられる場合には、これらの層に隣接して形成される不純物拡散防止層の内部にｎ型不純物を蓄積してもよい。
本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の断面図。 積層膜の深さとＭｇ濃度との関係、および深さとバンドギャップエネルギーとの関係を示す図。 図１のレーザダイオードの製造工程を示す工程図。 図３に続く工程図。 オーバーフロー防止層７とｐ型第１ガイド層６の間に不純物拡散防止層８を設けた半導体装置の断面図。 第２の実施形態に係るレーザダイオードの断面図。 不純物拡散防止層８をｐ型ＧａＮガイド層２１とオーバーフロー防止層７の間に配置したレーザダイオードの断面図。 ｐ型クラッド層１０とｐ型ＧａＮガイド層２１の間に不純物拡散防止層８が配置したレーザダイオードの断面図。 ｐ型ＧａＮガイド層２１とオーバーフロー防止層７の間に不純物拡散防止層８を配置したレーザダイオードの断面図。
符号の説明
１ ｎ型ＧａＮ基板
２ ｎ型ＧａＮバッファ層
３ ｎ型クラッド層
４ ｎ型ガイド層
５ 活性層
６ ｐ型第１ガイド層
７ ＧａxＡｌ1-xＮ（０＜ｘ≦１）層（オーバーフロー防止層）
８ ＩｎｕＧａ１−ｕ−ｖＡｌｖＮ（０＜ｕ≦１，０＜ｖ≦１）層（不純物拡散防止層）
９ ｐ型ＧａＮ第２ガイド層
１０ ｐ型クラッド層
１１ ｐ型コンタクト層
１２ 絶縁層
１３ ｐ側電極
１４ ｎ側電極
２１ ｐ型ＧａＮガイド層

Claims (11)

  1. 活性層と、
    第１導電型の第１半導体層と、
    前記活性層と前記第１半導体層との間に配置され第１導電型の不純物がドープされた電子または正孔のオーバーフローを防止するオーバーフロー防止層と、
    前記活性層と前記オーバーフロー防止層との間、および前記オーバーフロー防止層と前記第１半導体層との間の少なくとも一方に配置される第１導電型の第２半導体層と、
    前記第１半導体層と前記活性層との間に配置され、前記オーバーフロー防止層、前記第１半導体層、および第２半導体層よりも小さいバンドギャップを有し第１導電型の不純物の拡散を防止する不純物拡散防止層と、を備え、
    前記活性層、オーバーフロー防止層、第１半導体層、第２半導体層、および不純物拡散防止層はいずれもＧａＮ系化合物半導体からなることを特徴とする半導体装置。
  2. 活性層と、
    第１導電型の第１半導体層と、
    前記活性層と前記第１半導体層との間に配置され第１導電型の不純物がドープされた電子または正孔のオーバーフローを防止するオーバーフロー防止層と、
    前記活性層と前記オーバーフロー防止層との間、および前記オーバーフロー防止層と前記第１半導体層との間のいずれか一方に配置される第１導電型の第２半導体層と、
    前記オーバーフロー防止層と前記第２半導体層との間に配置され、前記オーバーフロー防止層、前記第１半導体層、および第２半導体層よりも小さいバンドギャップを有し第１導電型の不純物の拡散を防止する不純物拡散防止層と、を備え、
    前記活性層、オーバーフロー防止層、第１半導体層、第２半導体層、および不純物拡散防止層はいずれもＧａＮ系化合物半導体からなることを特徴とする半導体装置。
  3. 前記第２半導体層は、前記活性層と前記オーバーフロー防止層との間に配置され、
    当該第２半導体層と前記オーバーフロー防止層との間に前記不純物拡散防止層が配置されることを特徴とする請求項２に記載の半導体発光素子。
  4. 前記不純物拡散防止層はＩｎを含んでおり、
    前記不純物拡散防止層におけるＩｎの組成比は、前記オーバーフロー防止層、第１半導体層、および第２半導体層、におけるＩｎの組成比よりも高いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置。
  5. 活性層と、
    第１導電型の第１半導体層と、
    前記活性層と前記第１半導体層との間に配置され第１導電型の不純物がドープされた電子または正孔のオーバーフローを防止するオーバーフロー防止層と、
    前記オーバーフロー防止層と前記第１半導体層との間に配置される第１導電型の第２半導体層と、
    前記オーバーフロー防止層と前記活性層との間に配置される第１導電型の第３半導体層と、
    前記オーバーフロー防止層と前記第２半導体層との間、および前記オーバーフロー防止層と前記第３半導体層との間の少なくとも一方に配置され、前記オーバーフロー防止層、前記第１半導体層、前記第２半導体層、および第３半導体層よりも小さいバンドギャップを有し第１導電型の不純物の拡散を防止する不純物拡散防止層と、を備え、
    前記活性層、オーバーフロー防止層、第１半導体層、第２半導体層、第３半導体層、および不純物拡散防止層はいずれもＧａＮ系化合物半導体からなることを特徴とする半導体装置。
  6. 前記第３半導体層と前記オーバーフロー防止層との間に前記不純物拡散防止層が配置されることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光素子。
  7. 前記不純物拡散防止層はＩｎを含んでおり、
    前記不純物拡散防止層におけるＩｎの組成比は、前記オーバーフロー防止層、第１半導体層、第２半導体層、および第３半導体層におけるＩｎの組成比よりも高いことを特徴とする請求項５または６に記載の半導体装置。
  8. 前記活性層は所定波長の光を発光し、第１導電型はｐ型であり、前記第１半導体層、前記第２半導体層はそれぞれｐ型クラッド層、ｐ型ガイド層であり、前記オーバーフロー防止層は電子のオーバーフローを防止することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置。
  9. 前記活性層は所定波長の光を発光し、第１導電型はｐ型であり、前記第１半導体層はｐ型クラッド層であり、前記第２半導体層および第３半導体層はそれぞれｐ型ガイド層であり、前記オーバーフロー防止層は電子のオーバーフローを防止することを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の半導体装置。
  10. 前記活性層のｐ型ガイド層とは反対側に配置されＧａＮまたはＩｎx1Ｇａ1-x1Ｎ（０＜ｘ１＜１）からなるｎ型ガイド層を備え、
    前記活性層は、Ｉｎｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（０＜ｘ２≦１）の量子井戸と、Ｉｎｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（０＜ｘ３＜１、ｘ２＞ｘ３）のバリア層と、を有する単一または多重量子井戸構造であり、
    前記ｐ型ガイド層は、Ｉｎｘ４Ｇａ１−ｘ４Ｎ（０≦ｘ４＜１、ｘ３＞ｘ４）を含むことを特徴とする請求項８または９に記載の半導体装置。
  11. 前記オーバーフロー防止層は、Ｇａ１−ｙＡｌｙＮ（０＜ｙ≦１）からなることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の半導体装置。
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