JP2014003329A - 応力低減電子ブロッキング層を有する窒化ガリウム・ベース半導体デバイス - Google Patents

応力低減電子ブロッキング層を有する窒化ガリウム・ベース半導体デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】活性層にかかる物理的応力を低減した電子ブロッキング層を有する窒化ガリウム・ベース半導体デバイスを提供する。
【解決手段】半導体デバイスは、活性層３５０およびクラッド層３７０を備える。電子ブロッキング層３８０が、活性層３５０とクラッド層３７０との間の領域内に少なくとも部分的に配設され、活性層３５０からクラッド層３７０に向かう電子の流れに対する電位障壁を形成するように構成される。電子ブロッキング層３８０は、周期表のＩＩＩ族の２つの元素、および周期表のＶ族の１つの元素を含む。周期表のＩＩＩ族の２つの元素の一方が、活性層３５０から離れてクラッド層に向かう方向に濃度が次第に増加する第１の部分３８２、および第１の部分とクラッド層との間で濃度が次第に減少する第２の部分３８４を有する濃度プロファイルを有する。
【選択図】図４

Description

関連出願の相互参照
関連特許出願は、本明細書と共に本願の譲受人に譲渡され、参照により本明細書に組み込む、「Gallium Nitride Based Semiconductor Device with Electron Blocking Layer」という名称の米国特許出願第１１／４１９，５９２号である。
本発明は一般に、半導体デバイスに関し、より詳細には、窒化ガリウム（ＧａＮ）ベース半導体デバイスに関する。
ＧａＮベース青紫色半導体レーザは、広範囲にわたる技術的効果および商業的効果を有する可能性がある。こうした半導体レーザは、典型的なガリウムヒ素（ＧａＡｓ）ベース半導体レーザの波長の約半分である４００ナノメートル近くで放出する。より短い波長の方が、光学的記憶や印刷などの適用分野において、ＧａＮベース半導体レーザがより高い空間分解能を達成することが可能になる。例えばＢｌｕ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ（商標）および高密度デジタル多用途ディスク（ＨＤ−ＤＶＤ（商標））は、高精細度のビデオおよびデータの記憶に青紫色半導体レーザを利用する、次世代光ディスク形式である。
ＧａＮベース青紫色半導体レーザは典型的に、基板（例えばサファイア）上に形成された多層半導体構造、および多層構造の一部分への電圧の印加を容易にする電気接点を備える。図１は、従来のＧａＮベース半導体レーザ１００の断面図を示し、図２は、さまざまな構成層および構成副層の、典型的な動作バイアス条件下での相対的な伝導帯レベルＥｃを示す。この半導体レーザは、サファイア基板１１０、ｎ型窒化ガリウム（ｎ−ＧａＮ）ベース層１２０、ｎ型窒化アルミニウムガリウム（ｎ−ＡｌＧａＮ）クラッド層１３０、およびｎ側非ドープＧａＮ導波路層１４０を備える。ｎ側導波路層の上面上に、多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層１５０が形成される。これらの量子井戸は、３つの窒化インジウムガリウム（ＩｎＧａＮ）井戸副層１５２と、それらを分離するＧａＮ障壁副層１５４を備える。ＭＱＷ活性層上に、ｐ側非ドープＧａＮ導波路層１６０と、それに続いてｐ型応力層超格子（ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｌａｙｅｒ ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅ）（ＳＬＳ）クラッド層１７０が形成される。ＳＬＳクラッド層は、ｐ−ＡｌＧａＮ１７２とｐ−ＧａＮ１７４の交互副層を備える。ｐ側導波路層内部に、ｐ型窒化アルミニウムガリウム（ｐ−ＡｌＧａＮ）電子ブロッキング層１８０が形成される。
２つの電気接点１９０、１９５が、半導体レーザ１００への電気バイアスの印加を可能にするように動作する。印加された電気バイアスにより、電子および正孔がＭＱＷ活性層１５０に注入される。これらの注入された電子および正孔の一部が、量子井戸により捕獲されて再結合し、光の光子を発生させる。発生した光の一部を、半導体レーザの２つの対向する垂直面に形成されたファセット（図示せず）から反射することによって、一部の光子がＭＱＷ活性層を数回通過させられ、その結果、放射の誘導放出が生じる。
導波路層１４０、１６０は、半導体レーザ１００内で膜光導波路（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｌｍ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）を形成し、ＭＱＷ活性層１５０に注入するための電子および正孔用の局所的なリザーバとして働く。膜光導波路は、導波路層よりも高い屈折率を有するクラッド層１３０、１７０により完全なものにされる。クラッド層は、発生した光を半導体レーザのＭＱＷ活性層にさらに限定するように働く。
図２に示すように、半導体レーザ１００内の電子ブロッキング層１８０は、比較的高い伝導帯レベルＥｃを有するように構成される。それにより、電子ブロッキング層は、ＭＱＷ活性層１５０からの電子の流れを抑制するように働く電位障壁を形成する。有利には、これにより半導体レーザのしきい値電流（誘導放出が生じる最小電流）が減少し、それにより、より高い最大出力電力が可能になる。電子ブロッキング層は、ＧａＡｓベース半導体レーザでの使用について、例えば、参照により本明細書に組み込む「Article Comprising a Quantum Well Laser」という名称のＢｅｌｅｎｋｙ等の米国特許第５，４４８，５８５号に記載されている。とはいえ、ＧａＮベース半導体レーザ内に従来の電子ブロッキング層を実装することには問題がある。ＭＱＷ活性層と導波路層の一方との間にある電子ブロッキング層は、ＭＱＷ活性層にかかる過度の物理的応力を引き起こし、その物理的応力が亀裂を引き起こす恐れがあることが分かっている。
これに応えて、電子ブロッキング層をＭＷＱ活性層から遠ざけようと試みがなされてきた。例えば、Ａｓａｎｏ等は、やはり参照により本明細書に組み込む「100-mV Kink-Free Blue-Violet Laser Diodes with Low Aspect Ratio」、IEEE Journal of Quantum Electronics、Vol. 39、No. 1、2003年1月の中で、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層を、図１に示す半導体レーザ１００に類似の半導体レーザのｐ側導波路層内のいくつかの異なる位置に配置する影響について研究した。しかし、残念なことに、そのような取組みは、ＭＱＷ活性層内の物理的応力の低減においてあまり成功を示していない。応力誘起亀裂が、ＧａＮベース半導体レーザにとって依然として問題のままである。
米国特許出願第１１／４１９，５９２号 米国特許第５，４４８，５８５号
Asano等、「100-mV Kink-Free Blue-Violet Laser Diodes with Low Aspect Ratio」、IEEE Journal of Quantum Electronics、Vol. 39、No. 1、2003年1月 J.F. Muth等、「Absorption Coefficient and Refractive Index of GaN, AlN and AlGaN Alloys」、MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research 4S1、G5.2 (1999) P. Holloway等、Handbook of Compound Semiconductors、William Andrews Inc.、1996 E. Kapon、Semiconductor Lasers II、Elsevier、1998
結果として、電子ブロッキング層を活性層にかかる付随する物理的応力なしで含むＧａＮベース青紫色半導体レーザ設計が必要とされている。
本発明の一例示的実施形態は、上記の必要性に、電子ブロッキング層が半導体レーザ内に、過度の物理的応力をレーザの活性層内に誘起せずに実装されるのを可能にすることによって対処する。
本発明の一態様によれば、半導体デバイスは、活性層およびクラッド層を備える。電子ブロッキング層が、活性層とクラッド層との間の領域内に少なくとも部分的に配設され、活性層からクラッド層に向かう電子の流れに対する電位障壁を形成するように構成される。電子ブロッキング層は、周期表のＩＩＩ族の２つの元素、および周期表のＶ族の１つの元素を含む。周期表のＩＩＩ族の２つの元素の一方が、活性層から離れてクラッド層に向かう方向に濃度が次第に増加する第１の部分、および第１の部分とクラッド層との間で濃度が次第に減少する第２の部分を有する濃度プロファイルを有する。
上述の例示的実施形態と矛盾なく、半導体レーザは、ドープおよび非ドープのＡｌＧａＮ、ＧａＮ、およびＩｎＧａＮを含むさまざまな層および副層から形成することができる。構成層の１つは、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層を備える。ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層内のアルミニウム濃度プロファイルが、第１の部分および第２の部分を有する。第１の部分では、アルミニウム濃度が次第に増加する。第２の部分では、アルミニウム濃度が次第に減少する。有利には、例示的半導体レーザは、電子ブロッキング層の利点（例えば、より低いしきい値電流）を呈すが、亀裂を招く恐れがある過度の物理的応力を受けない。
本発明の上記および他のフィーチャおよび利点は、添付の図と併せ読むべき以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。
従来技術によるＧａＮベース半導体レーザの断面図である。 図１の半導体レーザ内にあるさまざまな層および副層の伝導帯レベルを示す図である。 本発明の一例示的実施形態によるＧａＮベース半導体レーザの断面図である。 図３の半導体レーザ内にあるさまざまな層および副層の伝導帯レベルを示す図である。 図３の半導体レーザにおける伝導帯レベルの可能な一変形形態を示す図である。 光学装置内に実装された図３の半導体レーザのブロック図である。 本発明の別の例示的実施形態によるＧａＮベース半導体レーザの断面図である。 図７の半導体レーザ内にあるさまざまな層および副層の伝導帯レベルを示す図である。
本発明を、本発明の諸態様による諸例示的実施形態を参照して説明する。とはいえ、本発明は、それらの特定の実施形態に限定されない。多くの修正および変形を、本明細書において記載した実施形態に対して行うことができ、その結果は依然として本発明の範囲内に含まれる。例えば、諸例示的実施形態は半導体レーザを備えるが、本発明は発光ダイオード、光検出器、光結合器、および他のそのような半導体デバイスも包含する。したがって、本明細書において記載した特定の実施形態に対する限定は意図されておらず、またはそれを推断すべきではない。
「層（ｌａｙｅｒ）」という語は、本明細書では、半導体デバイス内にある１つまたは複数の所与の機能を有する物質の任意の層（ｓｔｒａｔｕｍ）を包含するものであることに留意されたい。層は、組成が実質的に同種でも、異なる組成を有する２層以上の副層を備えてもよい。容易に理解できるように、図１、３および７のいくつかの層は、実際にそれらが異なる組成の複数の副層を備える場合に、単一のフィーチャとして表してある。
「周期表」という語は、本明細書では、化学元素の周期表を指す。ＩＩＩ族とは、本明細書では、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、およびタリウムという元素を含む。Ｖ族とは、本明細書では、窒素、リン、ヒ素、アンチモン、およびビスマスという元素を含む。
従来通り、「ＩｎＧａＮ」や「ＡｌＧａＮ」などの表記は化学式ではなく、構成元素を列挙したにすぎない。したがって、例えば、「ＩｎＧａＮ」という表記は、三元合金ＩｎｘＧａ１−ｘＮを包含すると理解すべきであり、「ＡｌＧａＮ」は、三元合金ＡｌｘＧａ１−ｘＮを包含する。
添付の図に示すさまざまな層および／または領域は、原寸に比例して描かれておらず、半導体デバイス内で一般に使用されるタイプの１つまたは複数の層および／または領域は、説明を簡単にするために、所与の図に明示的に示されていないことがある。これは、明示的に示されていない１つまたは複数の層および／もしくは１つまたは複数の領域が、本発明の諸態様を有する実際の半導体デバイスから省略されることを意味するのではない。
図３および４は、本発明の一例示的実施形態によるＧａＮベース半導体レーザ３００の図を示す。より正確にいうと、図３は、半導体レーザ３００の断面図を示し、図４は、図３の半導体レーザ内にあるさまざまな層および副層の、動作バイアス条件下での相対的な伝導帯レベルＥｃを示す。半導体レーザは、サファイア基板３１０、５，０００ナノメートル（ｎｍ）厚さのｎ−ＧａＮベース層３２０、および１，３００ｎｍ厚さのｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３３０を備える。ＭＱＷ活性層３５０が、１００ｎｍ厚さのｎ側非ドープＧａＮ導波路層３４０と、１００ｎｍ厚さのｐ側非ドープＧａＮ導波路層３６０との間に形成される。ｐ側導波路層上にｐ型ＳＬＳクラッド層３７０が形成される。さらに、ｐ側導波路層内部にｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層３８０が形成される。電気接点３９０、３９５により、半導体レーザの一部分に電気バイアスが印加されるのが可能になる。
ＭＱＷ活性層３５０は、少なくとも１つのＩｎＧａＮ井戸副層３５２を備える。複数のＩｎＧａＮ副層が、ＧａＮ障壁副層３５４によって分離される。ＭＱＷ活性層は典型的に、約３．５ｎｍ厚さの３つのＩｎＧａＮ井戸副層と、それらを分離する約７ｎｍ厚さの２つのＧａＮ障壁副層を備えることができる。一方、ＳＬＳクラッド層３７０は、多数のｐ−ＡｌＧａＮ副層３７２と、それらを分離するｐ−ＧａＮ副層３７４を備える。ＳＬＳクラッド層は典型的に、約１００層の２．５ｎｍ厚さのｐ−ＡｌＧａＮ副層と、それらを分離する約２．５ｎｍ厚さのｐ−ＧａＮ副層を備えることができる。この例示的実施形態では、量子井戸副層の数および厚さ、ならびにクラッド層内の副層の数および厚さは、異なってよい。この例示的実施形態では、ｎ−ＧａＮベース層３２０およびｎ−ＡｌＧａＮクラッド層３３０は、ＩＶ族ドーパント、好ましくはシリコンでドープされる。それとは対照的に、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層３８０、ならびにｐ−ＡｌＧａＮ副層３７２およびｐ−ＧａＮ副層３７４は、ＩＩ族ドーパント、好ましくはマグネシウムでドープされる。いくつかの理由で、ｐ型クラッド層３７０に、バルクｐ−ＡｌＧａＮではなく多層ｐ−ＡｌＧａＮ／ｐ−ＧａＮ ＳＬＳ構造を使用することが有利である。第１に、多層ＳＬＳ構造は、バルクｐ−ＡｌＧａＮを含むクラッド層に比べて、クラッド層内の物理的応力を低減させることが分かっている。第２に、多層ＳＬＳ構造は、増強された正孔濃度を有することが分かっている。多層ＳＬＳクラッド層の室温での平均正孔濃度は、バルク膜（例えばマグネシウムでドープしたバルクｐ−ＡｌＧａＮ）内の濃度よりも１０倍高くなり得る。
ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層３８０は、ＭＱＷ活性層３５０からＳＬＳクラッド層３７０内への電子の流れに対する電位障壁を形成するように構成される。これは、電子ブロッキング層の組成を、電子ブロッキング層が大きなバンドギャップを有し、その結果、比較的高い伝導帯レベルＥｃを有するように構成することによって達成される。ＡｌｘＧａ１−ｘＮのバンドギャップは、ｘの値を変更することによって容易に修正することができる。一般には、アルミニウム濃度が高いほど（すなわちｘの値が大きいほど）、材料のバンドギャップが高くなる。ｘの関数としてのＡｌｘＧａ１−ｘＮのバンドギャップについては、例えば、参照により本明細書に組み込む、J.F. Muth等、「Absorption Coefficient and Refractive Index of GaN, AlN and AlGaN Alloys」、MRS Internet Journal of Nitride Semiconductor Research 4S1、G5.2 (1999)に記載されている。この参考文献によれば、例えば、二元窒化アルミニウム（Ａｌ１Ｎ１）は、約６．２０電子ボルトのバンドギャップを有する。一方、二元窒化ガリウム（Ｇａ１Ｎ１）は、わずか約３．４３電子ボルトのバンドギャップを有する。三元合金Ａｌ０．２７Ｇａ０．７３Ｎは、４．００電子ボルトのバンドギャップを有する。
本発明の一態様によれば、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層３８０内のアルミニウム濃度プロファイルは、次第に増加するアルミニウム濃度部分３８２と、次第に減少するアルミニウム濃度部分３８４の２つの部分を有する。両部分は、図４の電子ブロッキング層の伝導帯プロファイル内に見ることができる。というのも、上記のように、ＡｌＧａＮのバンドギャップは、アルミニウム濃度と相関または一致するためである。アルミニウム濃度プロファイルの増加するアルミニウム濃度部分は、活性層３５０から離れてクラッド層に向かう方向にアルミニウム濃度が次第に増加する。減少するアルミニウム濃度部分は、増加するアルミニウム濃度部分とＳＬＳクラッド層３７０との間でアルミニウム濃度が次第に減少する。アルミニウム濃度プロファイルの増加するアルミニウム濃度部分と減少するアルミニウム濃度部分との中間で、アルミニウム濃度が平坦域３８６に達し、そこで実質的に一定にとどまる。この例示的実施形態では、電子ブロッキング層の増加するアルミニウム濃度部分および減少するアルミニウム濃度部分がそれぞれ、約１０ｎｍに等しい厚さを有する。平坦域も約１０ｎｍの厚さを有し、それにより、電子ブロッキング層が合計約３０ｎｍ厚さとなっている。とはいえ、これらの厚さは例示にすぎず、他の厚さが、本発明の範囲内に含まれるものとして企図される。
電子ブロッキング層３８０は、電子の流れに対する電位障壁を形成するように設計されるが、これは、電子ブロッキング層があれば、その層を超える全ての電子の流れが完全に止まることを意味すると理解すべきではない。そうではなく、電子ブロッキング層は、電子ブロッキング層を備えていないその他の点では同一の半導体レーザにおいて観測される電子の流れに比べて、デバイスの動作温度および動作バイアスにおいて、少なくとも実質的により少ない電子の流れを生じさせる。電子ブロッキング層は、好ましくは、ｐ側導波路層３６０の伝導帯レベルよりも約５０ミリ電子ボルト高いレベルにある電位障壁を有する。電位障壁は、かなりの量の電子のトンネル効果およびリークを受けないのに十分な厚さのものである。典型的には、電位障壁は、少なくとも約１０ｎｍ厚さである。
図５は、図３および４に示す例示的実施形態に対する一変形形態を示す。図５では、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層３８０’内のアルミニウム濃度プロファイルの増加するアルミニウム濃度部分３８２’および減少するアルミニウム濃度部分３８４’が、それらの間に平坦域なしで互いに当接し、それにより、増加するアルミニウム濃度部分および減少するアルミニウム濃度部分が、２つの部分の間に濃度平坦域を有するのではなく、最大アルミニウム濃度値のところで変曲点を形成している。より薄い電子ブロッキング層を製作するためにそのような変形形態が望ましい場合があることを、当業者なら理解するであろう。
有利には、電子ブロッキング層３８０を本発明の諸態様に従って構成すると、電子ブロッキング層が半導体レーザ３００内に、過度の物理的応力をレーザ内に誘起せずに実装されることが可能になる。一般に、ＧａＮベース半導体レーザ内の物理的応力の多くは、隣接する層および副層相互間の格子不整合によって誘起される。電子ブロッキング層を、図３、４、および５に示すように構成することによって、より低いアルミニウム濃度のｐ−ＡｌＧａＮからより高いアルミニウム濃度のｐ−ＡｌＧａＮへ、次いで再度より低いアルミニウム濃度のｐ−ＡｌＧａＮへの漸進的な遷移が形成される。このため、これらの隣接する層間の格子不整合の深刻さが低減され、それにより、図１および２に示す半導体レーザ１００のような従来の半導体レーザに比べて、半導体レーザ内の全体的な物理的応力が低減される。
半導体レーザ３００の上記の設計は例示であり、多くの他の設計が依然として本発明の範囲内に含まれることに留意されたい。例えば、ＭＱＷ活性層３５０を、第１の組成のＩｎＧａＮと第２の組成のＩｎＧａＮの交互副層から形成すること、または半導体レーザを構成する、厚さが本明細書において明示的に記載した厚さとは大いに異なる層および副層を形成することが有利となる場合がある。別の例として、電子ブロッキング層３８０を、それに限定されないがリン化インジウムガリウム（ＩｎＧａＰ）など、ＡｌＧａＮ以外の三元ＩＩＩ−Ｖ族化合物から形成することが有利となる場合がある。次いで、ＳＬＳクラッド副層３７２、３７４がそれぞれ、例えばＩｎＧａＰおよびリン化インジウム（ＩｎＰ）を含むことができる。電子ブロッキング層にＩｎＧａＰが利用される場合、図４および５に示す伝導帯プロファイルに類似の伝導帯プロファイルをもたらすように、インジウムの濃度を変更することができる。量子井戸副層の数および厚さは異なってよく、クラッド層内の副層の数および厚さも異なってよい。諸例示的実施形態に対する上記および他の変形形態は、当業者に明らかとなるであろう。
さらに、図４および５それぞれに示す特定の例示的実施形態における、電子ブロッキング層３８０および３８０’のアルミニウム濃度プロファイルは、直線的に次第に増加および減少するが、本発明はそれに限定されない。そうではなく、ツーリングまたは他の考慮事項のため、ＩＩＩ族元素が非直線的に次第に増加および減少する濃度プロファイルを有する電子ブロッキング層を形成することが、有利となる場合がある。例えば、段階的にまたは放物線状に次第に増加および減少するアルミニウム濃度プロファイルを有する電子ブロッキング層を形成することが、有利となる場合がある。そのような代替構成が企図され、依然として本発明の範囲内に含まれる。
図６は、本発明の一例示的実施形態による、光学装置６００内への半導体レーザ３００の実装についてのブロック図を示す。光学装置は、例えば、高密度データの読取り／書込み能力を有する光ディスク・ドライブでも、あるいは光ファイバ通信システム内の構成要素でもよい。光学装置内での半導体レーザの動作は大方従来通りであり、当業者はそれを熟知するであろう。さらに、半導体レーザの動作については、例えば、参照により本明細書に組み込む、P. Holloway等、Handbook of Compound Semiconductors、William Andrews Inc.、1996や、E. Kapon、Semiconductor Lasers II、Elsevier、1998など、多数の容易に入手可能な参考文献において詳細に記載されている。
先に述べたように、半導体レーザ３００は、電気接点３９０、３９５両端間に電気制御バイアスを印加することによって給電される。一般には、電気接点に印加される制御バイアスの量が多いほど、半導体レーザのこのＭＱＷ活性層３５０内で生じる誘導放出の量が多くなり、光出力の量が多くなる。光学装置６００内では、制御回路６１０が半導体レーザの電気接点に制御バイアスを印加する。半導体レーザの出力電力を測定して、その測定値を制御回路にフィード・バックする１つまたは複数のモニタ・フォトダイオードを使用すれば、正確なレーザ出力電力を任意選択で維持することができる。制御回路は、光学装置内にある回路のディスクリート部分でも、それとは対照的に、装置の他の回路に一体化してもよい。
半導体レーザ３００は、好ましくは、図３に示す各層を、図中に示すように下部から上部に、当業者が熟知するであろう従来の半導体処理技法を使用して順次堆積させることによって形成される。サファイアとＧａＮとの間の大きな格子不整合（約１５％）のため、ｎ−ＧａＮベース層３２０は、好ましくは、サファイア基板３１０上に、「エピタキシャル・ラテラル・オーバーグロース」（ＥＬＯ）と一般に呼ばれるものを使用して形成される。ＥＬＯプロセスでは、サファイアがまず薄い二酸化シリコン・マスクで被覆され、それが、ＧａＮの＜１１００＞方向に延びるサファイア表面の反復ストライプを露出させるようにパターン形成される。次いで、露出したサファイア上に、ｎ−ＧａＮベース層が有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）により堆積される。堆積中、ｎ−ＧａＮが合体して、欠陥がほとんどない高品質バルク膜を形成する。
次いで、残りの膜を、ＭＯＣＶＤを含むステップを使用して順次堆積させることができる。（金属酸化物気相エピタキシ（ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｖａｐｏｒ ｐｈａｓｅ ｅｐｉｔａｘｙ）とも呼ばれる）ＭＯＣＶＤ堆積技法は、半導体処理において従来から使用されており、当業者はそれを熟知しているであろう。ＭＯＣＶＤでは、上に堆積が行われるべき積層膜が、必要な化学元素を含む有機化合物（すなわち前駆体）にさらされる。
例えば、トリメチルガリウムまたはトリメチルアルミニウムなどの金属有機化合物を、アンモニアなどの反応物と組み合わせて利用することができる。このプロセスは、前駆体を、キャリア・ガスによって成長室内の高温ゾーンに輸送することからなる。こうした前駆体は、解離し、または別の化合物と反応して、薄膜をもたらす。ドープ膜を形成するために、ドーパント反応物を追加することができる。
反応器が、本明細書において記載した化合物ＩＩＩ−Ｖ族材料のＭＯＣＶＤ向けに市販されている。例えば、Ｖｅｅｃｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃ．（本社はＷｏｏｄｂｕｒｙ、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋにある）は、そのような反応器を研究開発および商用半導体デバイス製造向けに生産および販売している。さらに、ｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層３８０内のアルミニウム濃度プロファイルをどのように形成するかについて、当業者なら理解するであろう。ＭＯＣＶＤ成長シーケンス中に、例えば、アルミニウム前駆体（例えばトリメチルアルミニウム）を、堆積が行われるときに次第に増加させて、増加するアルミニウム濃度部分３８２をもたらすことができる。その後、やはりＭＯＣＶＤ成長シーケンス中に、アルミニウム前駆体を次第に減少させて、減少するアルミニウム濃度部分３８４を形成することができる。
しかし、本発明はＭＯＣＶＤによる材料の堆積に限定されないことに留意されたい。分子線エピタキシ（ＭＢＥ）も、本明細書において記載したような化合物ＩＩＩ−Ｖ族材料を形成することができる。ＭＢＥでは、材料がガスのビームの形の原子または分子として基板上に堆積される。典型的には、各材料が別々に制御されるビームの形で供給され、したがって、元素の選択およびその相対濃度を任意の所与の層について調整し、それにより、その層の組成および電気的特性を定めることができる。層の厚さ、均一性、および純度を正確に制御するために、ビーム強度が調整される。したがって、ＭＢＥ、またはＭＯＣＶＤ以外の他の方法により、全部または一部形成された、本発明の諸態様を有する半導体レーザは、依然として本発明の範囲内に含まれる。
積層膜を形成した後、電気接点３９０をｎ−ＧａＮベース層３２０に接して配置することができるように、積層膜の一部分が、従来のフォトリソグラフィ技法および反応性イオン・エッチング技法を使用して除去される。次いで、露出したｎ−ＧａＮベース層、およびＳＬＳクラッド層３７０の上面上に、従来の金属蒸着により電気接点３９０、３９５（例えばプラチナと金を含む合金）が堆積される。次いで、この多層構造をへき開して、ディスクリート半導体レーザ・デバイスが形成され、その後、半導体レーザ３００の２つの対向する垂直面上に、部分反射鏡として働くようにファセットが形成される。ファセットは、これらの鏡の反射率を正確に制御するために、反射防止膜で被覆することができる。
電子ブロッキング層は、半導体レーザが本発明の範囲内に含まれるようにｐ側導波路層内に配置する必要はないことに留意されたい。そうではなく、電子ブロッキング層は、ＭＱＷ活性層に隣接しても、ＳＬＳクラッド層に隣接してもよい。例えば、図７は、本発明の別の例示的実施形態による半導体レーザ７００の断面図を示す。さらに、図８は、半導体レーザ内にあるさまざまな層および副層の、動作バイアス条件下での相対的な伝導帯レベルＥｃを示す。この半導体レーザは、サファイア基板７１０、５，０００ナノメートル（ｎｍ）厚さのｎ−ＧａＮベース層７２０、および１，３００ｎｍ厚さのｎ−ＡｌＧａＮクラッド層７３０を備える。１００ｎｍ厚さのｎ側非ドープＧａＮ導波路層７４０と１００ｎｍ厚さのｐ側非ドープＧａＮ導波路層７６０との間に、ＭＱＷ活性層７５０が形成される。ｐ側導波路層上にｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層７７０が形成され、その後に、電子ブロッキング層上に形成されたｐ型ＳＬＳクラッド層７８０が続く。電気接点７９０、７９５により、半導体レーザの一部分に電気バイアスが印加されるのが可能になる。
半導体レーザ７００内のｐ−ＡｌＧａＮ電子ブロッキング層７７０は、ＳＬＳクラッド層７８０に隣接して配設される。電子ブロッキング層の増加するアルミニウム濃度部分７７２は、活性層７５０から離れてクラッド層に向かう方向にアルミニウム濃度が次第に増加し、減少するアルミニウム濃度部分７７４は、増加するアルミニウム濃度部分とＳＬＳクラッド層との間でアルミニウム濃度が次第に減少する。有利には、半導体レーザをこのように構成すると、半導体レーザ内の物理的応力をよりいっそう低減させることができる。格子不整合から誘起される物理的応力の低減に加えて、アルミニウム濃度プロファイルを電子ブロッキング層に導入することによって、この例示的実施形態における電子ブロッキング層は、ＭＱＷ活性層７５０から物理的に分離される。物理的な分離は、電子ブロッキング層から生じる物理的応力によってＭＱＷ活性層内に誘起される欠陥の可能性を低減させるのに十分な距離である。半導体レーザ内の応力誘起欠陥の可能性を低減させるために、電子ブロッキング層がＭＱＷ活性層から分離される典型的な距離は、約５０ｎｍである。
本発明の諸例示的実施形態を、本明細書において添付の図を参照して説明してきたが、本発明はそれらの正確な実施形態に限定されないことを、やはり再度強調しなければならない。半導体デバイスは、元素の異なる構成を備え、異なる方法によって形成され、それでもやはり本発明の範囲内に含まれ得る。フィーチャのあらゆる組合せを各例示的実施形態に即して説明してきたわけではないが、一例示的実施形態に即して説明したフィーチャを、他の例示的実施形態において利用できることを、当業者なら理解するであろう。添付の特許請求の範囲から逸脱せずに行うことができるさまざまな他の変更および修正を、当業者なら理解するであろう。

Claims (10)

  1. 活性層と、
    クラッド層と、
    前記活性層と前記クラッド層との間の領域内に少なくとも部分的に配設され、前記活性層から前記クラッド層に向かう電子の流れに対する電位障壁を形成するように構成される、電子ブロッキング層と
    を備え、
    前記電子ブロッキング層が、周期表のＩＩＩ族の２つの元素、および周期表のＶ族の１つの元素を含み、周期表のＩＩＩ族の前記２つの元素の一方が、前記活性層から離れて前記クラッド層に向かう方向に濃度が次第に増加する第１の部分、および前記第１の部分と前記クラッド層との間で濃度が次第に減少する第２の部分を有する濃度プロファイルを有し、
    前記電子ブロッキング層が、導波路層の第１副層と導波路層の第２副層との間に配設され、
    少なくとも前記導波路層の第１副層および第２副層が、同じ組成であり、
    少なくとも前記導波路層の第１副層および第２副層が、前記活性層と前記クラッド層との間に配設され、
    前記導波路層の第１副層および第２副層は非ドープである
    半導体デバイス。
  2. 前記電位障壁が、少なくとも約５０ミリ電子ボルトの障壁高さを有する、請求項１に記載の半導体デバイス。
  3. 前記濃度プロファイルの前記第１および第２の部分の少なくとも一方が、約１０ナノメートル以上の厚さを有する、請求項１に記載の半導体デバイス。
  4. 前記濃度プロファイルの前記第１および第２の部分がそれぞれ、約１０ナノメートル以上の厚さを有する、請求項１に記載の半導体デバイス。
  5. 前記第１の部分および前記第２の部分を有する、周期表のＩＩＩ族の前記２つの元素の前記一方の前記濃度プロファイルがさらに、前記濃度プロファイルの第３の部分を有し、前記第３の部分が、前記２つの元素の前記一方の、実質的に一定の濃度を有する、請求項１に記載の半導体デバイス。
  6. 前記濃度プロファイルの前記第１および第２の部分が互いに当接し、その結果、前記濃度プロファイル内に変曲点をもたらす、請求項１に記載の半導体デバイス。
  7. 前記第１の部分および前記第２の部分を有する前記濃度プロファイルを有する、周期表のＩＩＩ族の前記２つの元素の前記一方が、アルミニウムを含む、請求項１に記載の半導体デバイス。
  8. 前記電子ブロッキング層がマグネシウムでドープされる、請求項１に記載の半導体デバイス。
  9. 活性層を形成するステップと、
    クラッド層を形成するステップと、
    前記活性層と前記クラッド層との間の領域内に少なくとも部分的に配設され、前記活性層から前記クラッド層に向かう電子の流れに対する電位障壁を形成するように構成される電子ブロッキング層を形成するステップと
    を含み、
    前記電子ブロッキング層が、周期表のＩＩＩ族の２つの元素、および周期表のＶ族の１つの元素を含み、周期表のＩＩＩ族の前記２つの元素の一方が、前記活性層から離れて前記クラッド層に向かう方向に濃度が次第に増加する第１の部分、および前記第１の部分と前記クラッド層との間で濃度が次第に減少する第２の部分を有する濃度プロファイルを有し、
    前記電子ブロッキング層が、導波路層の第１副層と導波路層の第２副層との間に配設され、
    少なくとも前記導波路層の第１副層および第２副層が、同じ組成であり、
    少なくとも前記導波路層の第１副層および第２副層が、前記活性層と前記クラッド層との間に配設され、
    前記導波路層の第１副層および第２副層は非ドープである
    半導体デバイスを形成する方法。
  10. 半導体デバイスであって、
    活性層、
    クラッド層、
    前記活性層と前記クラッド層との間の領域内に少なくとも部分的に配設され、前記活性層から前記クラッド層に向かう電子の流れに対する電位障壁を形成するように構成される、電子ブロッキング層
    を備え、
    前記電子ブロッキング層が、周期表のＩＩＩ族の２つの元素、および周期表のＶ族の１つの元素を含み、周期表のＩＩＩ族の前記２つの元素の一方が、前記活性層から離れて前記クラッド層に向かう方向に濃度が次第に増加する第１の部分、および前記第１の部分と前記クラッド層との間で濃度が次第に減少する第２の部分を有する濃度プロファイルを有する
    半導体デバイスと、
    前記半導体デバイスを制御するように動作する制御回路と
    を含み、
    前記電子ブロッキング層が、導波路層の第１副層と導波路層の第２副層との間に配設され、
    少なくとも前記導波路層の第１副層および第２副層が、同じ組成であり、
    少なくとも前記導波路層の第１副層および第２副層が、前記活性層と前記クラッド層との間に配設され、
    前記導波路層の第１副層および第２副層は非ドープである
    装置。
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